CN111130972A - 基于lvds和rs-485接口的双环路分布式数据采集传输系统 - Google Patents

基于lvds和rs-485接口的双环路分布式数据采集传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LVDS和RS‑485接口的双环路分布式数据采集传输系统，包括汇聚桥接模块，其特征在于，还包括多个节点处理模块和多个数模转换模块；汇聚桥接模块通过扩展的两路LVDS接口与多个节点处理模块形成双环路；每个节点处理模块通过RS‑485接口挂载多个并行模数转换模块；汇聚桥接模块用于控制节点处理模块工作和处理核心数据；节点处理模块用于控制数模转换模块数据周期性数据采集，并对采集数据进行暂存累积到一定数据量后上传至汇聚桥接模块；模数转换模块用于采集和预处理目标信号后上传至节点处理模块。可以解决数据采集传输系统采用两层结构造成系统噪声大，体积庞大的问题。

Description

基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统。
背景技术
传统的数据采集传输系统，在数据传输过程当中，由于系统传输链路较长，并且水下环境复杂，数据极易受到外界干扰，系统硬件本身也容易在水下多变的环境当中发生损坏。
具体地，现有的数据采集传输系统采用两层结构，具体包括第一层的桥接模块和第二层的各子节点，桥接模块和子节点之间通过以太网连接，桥接模块主要用于控制节点工作，节点主要用于采集和传输数据。传统的数据采集传输系统因为是两层结构，所以具有以下缺点，具体为：
(1)采用两层结构，各个子节点均集成了多个数模转换采集模块，多个数模转换采集模块之间存在并行干扰，造成信号质量下降；
(2)采用两层结构，各个子节点均集成了多个数模转换采集模块，对于分布式数据采集传输系统，必然造成部分模拟信号的信号路径(从信号源至数模转换模块之间的距离)较长，导致信号质量下降；
(3)采用两层结构，各个子节点均集成了数个多通道采集模块，导致模块体积较大，对于分布式数据采集传输系统，系统体积受各模块尺寸(尤其是宽度尺寸)影响较大；
(4)各节点的数据需要完成长距离传输，需要较多的数据编解码处理，同时为了保证传输稳定性，传输接口功耗较高，这会造成节点数字噪声加大，严重影响节点中数模转换采集模块的数据采集。
申请公布号为CN107911274A的专利申请公开的一种基于以太网交换芯片的环路自组织方法中公开的数据采集传输系统采用了传统的两级结构；申请公布号为CN108111246A的专利申请公开的一种基于高速串行链路的分布式采集系统同步时钟传输的方法中公开的分布式采集系统同样采用了传统的两级结构。
基于上述现有的数据采集传输系统的缺陷，因此提高系统的抗干扰性能，同时实现故障诊断恢复是确保系统稳定可靠的关键因素；其次，随着半导体工艺的进步，系统的小型化、低功耗设计是一个热门的研究方向，在长距离的数据传输过程中，如何减小系统功耗也是一个重要的难题；此外，为了实现对更大区域的数据采集需求，基于分布式的数据采集架构也是目前主流研究课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统，以解决数据采集传输系统采用两层结构造成系统噪声大，体积庞大的问题。
为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统，包括汇聚桥接模块，其特征在于，还包括多个节点处理模块和多个数模转换模块；汇聚桥接模块通过扩展的两路LVDS接口与多个节点处理模块形成双环路；每个节点处理模块通过RS-485接口挂载多个并行模数转换模块；
汇聚桥接模块用于控制节点处理模块工作和处理核心数据；
节点处理模块用于控制数模转换模块数据周期性数据采集，并对采集数据进行暂存累积到一定数据量后上传至汇聚桥接模块；
模数转换模块用于采集和预处理目标信号后上传至节点处理模块。
优选地，所述汇聚桥接模块拓展两路千兆以太网接口用于数据的上传。
优选地，所述汇聚桥接模块扩展一路UART用于系统调试。
优选地，所述模数转换模块模拟目标信号后依次进行滤波、放大和模数转换处理后，将处理后的数据通过RS-485接口上传至节点处理模块。
优选地，所述汇聚桥接模块控制节点处理模块的采样开始、采样停止、采样率、采样增益、节点IP、链路延时测量。
优选地，所述节点处理模块在接收到汇聚桥接模块的命令，通过解包分析，实现相应的功能操作，同时生成对应的命令回复包，通过LVDS接口返回到汇聚桥接模块。
优选地，所述汇聚桥接模块扩展的两路LVDS接口通过多芯双绞线连接节点处理模块，所述模数转换模块采用delta-sigma型模数转换芯片。
优选地，样时钟同样由节点处理模块通过RS-485接口构建链路进行传输，模数转换模块根据节点处理模块提供的采样时钟频率修改采样频率，改变自身工作状态。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明采用汇聚桥接模块、节点处理模块以及数模转换模块组成三层结构，能够使得整个数据采集传输系统中节点处理模块和数模转换模块尺寸都大幅下降，从而降低系统整体体积，便于布放管理；
本发明汇聚桥接模块与节点处理模块之间通过LVDS接口进行数据、和命令的传输，由于LVDS接口具备高速、低噪声、低功耗的优点，使得该两个模块之间可以实现最高420Mbps/90m的数据传输，大大超过了相同传输线数量(两对双绞线)下以太网的传输宽带，提升了数据传输效率，降低了传输噪声，同时传输功耗低；
本发明节点处理模块与模数转换模块之间通过RS-485接口进行数据和命令的传输，由于RS-485接口具有低功耗、高负载、抗干扰能力强、应用成熟的特点，使得该两个模块之间可实现20Mbps/60m的数据传输，适合于单个节点处理模块与多个模数转换模块间进行中等传输带宽、中等传输距离的数据通信。由于节点处理模块与模数转换模块分离，各模数转换模块可以就近布放于模拟信号的信号源处，大大降低了多路采样之间的干扰，降低了系统噪声。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为实施例提供的基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统的架构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
图1为实施例提供的基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统的架构框图。参见图1，实施例提供的基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统包括汇聚桥接模块、节点处理模块、数模转换模块，其中，聚桥接模块通过扩展的两路LVDS接口与多个节点处理模块形成双环路；每个节点处理模块通过RS-485接口挂载多个并行模数转换模块。
系统核心数据处理由汇聚桥接模块完成。汇聚桥接模块外扩两路LVDS接口，分别通过多芯双绞线连接节点线阵的两端，节点之间通过干线数据总线连接。汇聚桥接模块和节点处理模块之间的数据、命令传输均通过LVDS链路完成。LVDS接口具备高速、低噪声、低功耗的优点，设计可实现最高420Mbps/90m的数据传输。此外，汇聚桥接模块还扩展两路千兆以太网接口用于数据的上传，并且扩展一路UART用于系统调试。
汇聚桥接模块对系统中各个分布节点处理模块进行控制，设计可实现采样开始、采样停止、采样率设置、采样增益设置、节点IP修改、链路延时测量等功能。通过协议规定的数据包格式，汇聚桥接模块生成对应的命令包，由LVDS接口下发到各个分布式节点处理模块当中，再由节点处理模块完成后续操作。
系统的前端单元核心为节点处理模块，该模块主要负责对模数转换模块的控制、采样数据的传输、与汇聚桥接模块的交互等功能，如图1所示。
节点处理模块与汇聚桥接模块之间以LVDS接口相互连接，且通过RS-485接口挂载多个模数转换模块，如图1中所示的AD1#、AD2#、……、AD32#。基于系统的应用环境，节点处理模块与模数转换模块之间的连接采用了RS-485接口。RS-485接口具有低功耗、高负载、抗干扰能力强、应用成熟的特点。在本发明当中，RS-485链路最高可实现20Mbps/60m的数据传输。
节点处理模块会通过RS-485接口向模数转换模块周期性地发送数据请求命令，在收到模数转换模块的数据回应后节点处理模块会对数据进行暂存，累积到一定数量之后上传到汇聚桥接模块。此外，节点处理模块会处理来自汇聚桥接模块的命令，通过解包分析，实现相应的功能操作，同时生成对应的命令回复包，通过LVDS接口返回到汇聚桥接模块中。
模数转换模块主要完成对目标信号的采集。模数转换模块对目标模拟信号依次进行滤波、放大和模数转换处理，最终将采样数据通过RS-485接口传输到节点处理模块。此外，模数转换模块还将接收处理来自节点的各类命令，完成对采样状态的控制。
实施例中模数转换模块主要采用了delta-sigma型模数转换芯片进行处理，可以实现24bits分辨率的模拟数据采集转换。采样时钟同样由节点通过RS-485接口构建链路进行传输。该系统设计默认采用6kHz采样率进行数据采集，且模数转换模块可根据节点提供的采样时钟频率修改采样频率，灵活改变自身工作状态。
节点处理模块与模数转换模块之间的连接采用了RS-485接口进行数据和命令传输，具体的通信方法为：
步骤1，通过相应通讯协议，利用RS-485高速总线，节点处理模块发送查询命令。由匹配的模数转换模块进行响应。
对于一次查询命令，节点处理模块发送一个包含目标ID的查询命令包，经RS-485并行总线广播，同时启动一个定时器；模数转换模块收到查询命令包后判别目标ID，当查询命令包中目标ID与装置内部ID匹配时发送一个响应命令包，经RS-485并行总线广播。节点处理模块收到响应命令包时可以判定具有目标ID的模数转换模块存在；或节点处理模块定时器超时，判定具有目标ID的模数转换模块不存在。节点处理模块关闭定时器，完成一次查询命令。
步骤2，节点处理模块完成所有ID的查询后，将建立模数转换模块ID表。模数转换模块ID表中包含了当前存在且进行数模转换任务的模数转换模块ID。ID表通过上层数据接口进行上报，汇聚桥接模块能够对ID表进行修改和删减操作。更新后的模数转换模块ID表经RS-485并行总线广播，模数转换模块接收并存储模数转换模块ID表。
对于一次ID表的修改操作，由节点处理模块产生ID修改命令包，经RS-485并行总线广播。ID修改命令包中包含原始ID和新ID。模数转换模块收到ID修改命令包后判别原始ID，当原始ID与装置内部ID匹配时发送响应命令，同时修改装置内部ID为新ID。响应命令包中包含新ID，节点处理模块可以根据响应命令包判断命令状态。
步骤3，节点处理模块发送采集命令包，经RS-485并行总线广播，同时开启定时器。模数转换模块收到采集命令包后开始数模转换任务。节点处理模块的定时器到达阈值后，复位定时器，并发送数据读取命令包。
对于一次数据读取命令，节点处理模块经过定时器延时等待，保证模数转换模块完成定量数据转换，发送数据读取命令包，通知所有模数转换模块准备发送数据报文。同时进行新一轮的延时等待，准备下一次数据读取命令。
步骤4，模数转换模块接收到数据读取命令包后，开启一个计数器，查询内部模数转换模块ID表对应计数值的ID信息，当对应ID信息与装置内部ID匹配时，发送数据报文，经RS-485并行总线广播，同时关闭计数器。
对于一次计数，模数转换模块开启一个定时器。当模数转换模块接收到RS-485并行总线上的一次数据报文，复位定时器，同时计数器加一；当RS-485总线空闲并且定时器超时，越过当前发送ID，复位定时器，同时计数器加一，即模数转换模块能够跳过未响应的模数转换模块完成数据发送功能。
步骤5，节点处理模块在一次数据读取命令发送后开始接收模数转换模块的数据报文。当新的数据读取命令发送，结束前一次数据报文接收，并将此周期内所有数据报文进行整理，同时根据数据报文对模数转换模块ID表进行维护。
当节点处理模块的模数转换模块ID表发生变化时，节点处理模块将更新后的模数转换模块ID表经RS-485并行总线广播，模数转换模块接收并存储模数转换模块ID表。同时，节点处理模块将更新后的模数转换模块ID表通过上层数据接口上报。
与通用数据采集传输系统相比，上述提供的双环路分布式数据采集传输系统具有体积小、功耗低、带宽高、鲁棒性强等优点，在水下数据监测中具有深远的应用前景。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统，包括汇聚桥接模块，其特征在于，还包括多个节点处理模块和多个数模转换模块；汇聚桥接模块通过扩展的两路LVDS接口与多个节点处理模块形成双环路；每个节点处理模块通过RS-485接口挂载多个并行模数转换模块；
汇聚桥接模块用于控制节点处理模块工作和处理核心数据；
节点处理模块用于控制数模转换模块数据周期性数据采集，并对采集数据进行暂存累积到一定数据量后上传至汇聚桥接模块；
模数转换模块用于采集和预处理目标信号后上传至节点处理模块。
2.如权利要求1所述的基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统，其特征在于，所述汇聚桥接模块拓展两路千兆以太网接口用于数据的上传。
3.如权利要求1或2所述的基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统，其特征在于，所述汇聚桥接模块扩展一路UART用于系统调试。
4.如权利要求1或2所述的基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统，其特征在于，所述模数转换模块模拟目标信号后依次进行滤波、放大和模数转换处理后，将处理后的数据通过RS-485接口上传至节点处理模块。
5.如权利要求1所述的基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统，其特征在于，所述汇聚桥接模块控制节点处理模块的采样开始、采样停止、采样率、采样增益、节点IP、链路延时测量。
6.如权利要求5所述的基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统，其特征在于，所述节点处理模块在接收到汇聚桥接模块的命令，通过解包分析，实现相应的功能操作，同时生成对应的命令回复包，通过LVDS接口返回到汇聚桥接模块。
7.如权利要求1所述的基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统，其特征在于，所述汇聚桥接模块扩展的两路LVDS接口通过多芯双绞线连接节点处理模块，所述模数转换模块采用delta-sigma型模数转换芯片。
8.如权利要求1所述的基于LVDS和RS-485接口的双环路分布式数据采集传输系统，其特征在于，采样时钟同样由节点处理模块通过RS-485接口构建链路进行传输，模数转换模块根据节点处理模块提供的采样时钟频率修改采样频率，改变自身工作状态。
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