CN111600892A - 分布式数据采集系统和方法 - Google Patents

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张明瑞
王培培
牛晓威
王果山
杨林鹏
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Abstract

本申请涉及一种分布式数据采集系统和方法。所述系统包括：上位机；多个采集通道，每一采集通道均包括接口模块和第一无线通信模块，所述接口模块的一端与采集设备连接，另一端与第一无线通信模块连接；数据通信模块，所述数据通信模块包括数据汇总模块和多个第二无线通信模块，多个第二无线通信模块和多个第一无线通信模块点对点连接，所述数据汇总模块的一端与多个第二无线通信模块连接，所述数据汇总模块的另一端通过接口与上位机连接。本发明分布式数据采集系统，能够同步采集多个设备的数据，且通过点对点无线通信的方式避免了系统部件的集中摆放，具有较好的灵活性和通用性。

Description

分布式数据采集系统和方法
技术领域
本申请涉及数据采集领域，尤其涉及一种分布式数据采集系统和方法。
背景技术
数据采集是指从传感器、待测设备等被测单元中采集非电量或者电量信号，并送到上位机进行分析处理的过程，其被广泛的应用与各个行业的工业生产、科学研究、质量检测，以及过程控制等场合。
传统的数据采集系统通过采集设备将待测模拟信号采样为数字信号后，利用控制器进行数据的上传和处理，由于控制器上传数据和接收上级命令时使用的协议却各不相同，例如CAN、以太网、串口协议等，因而多种多样的接口协议也带来了接口的适配性问题。此外，由于工业仪表安装位置分散，为了便于数据的集中管理传统的数据采集系统采用有线集中式的摆放方式，但却需要占用较大的空间，并且各种交织的通信线缆也会带来安全隐患。
发明内容
基于此，有必要针对以上问题提供一种兼具不同设备采集接口且集中化管理的分布式数据采集系统和方法。
一种分布式数据采集系统，所述系统包括：
上位机；
多个采集通道，每一采集通道均包括接口模块和第一无线通信模块，所述接口模块的一端与采集设备连接，另一端与第一无线通信模块连接；
数据通信模块，所述数据通信模块包括数据汇总模块和多个第二无线通信模块，多个第二无线通信模块和多个第一无线通信模块点对点连接，所述数据汇总模块的一端与多个第二无线通信模块连接，另一端通过接口与上位机连接。
在其中一个实施例中，所述接口模块包括CAN接口、IIC接口、以太网接口、串口、SPI接口、USB接口和扩展接口。
在其中一个实施例中，所述第一无线通信模块包括用于将接口协议转换成无线通信协议的单片机、按键和第一无线收发器；
所述接口模块、按键和第一无线收发器均与所述单片机连接；
所述按键用于选择所述接口模块的接口协议的类型；
所述第一无线收发器用于接收所述单片机的数据和/或向所述单片机发送数据。
在其中一个实施例中，所述第一无线通信模块的数量与所述第二无线通信模块的数量相同，每一第二无线通信模块均设置有与所述第一无线收发器无线通信的第二无线收发器。
在其中一个实施例中，所述数据通信模块包括FPGA芯片和DDR4芯片；
所述FPAG芯片所述FPGA芯片设置在第二无线通信模块与接口之间，且所述DDR4芯片与所述FPGA连接；
所述FPGA芯片内例化有使用IP核生成的FIFO模块和DDR4控制模块。
在其中一个实施例中，与所述上位机连接的接口为USB3.1。
在其中一个实施例中，所述上位机采用LabVIEW编写，用于配置所述多个采集通道，以及接收保存所述数据汇总模块发送的数据。
在其中一个实施例中，所述接口模块、所述第一无线通信模块和所述第二无线通信模块的数量均为八个。
根据本发明的另一方面，提供一种分布式数据采集方法，所述方法包括：
上位机获取多个采集设备的接口类型，并根据所述接口类型配置多个采集通道；
配置多个采集通道的接口协议，其中，每一采集通道均利用所述接口协议将采集设备的数据发送至第一无线通信模块；
第一无线通信模块与第二无线通信模块点对点通信，以将多个第一无线通信模块的数据发送至多个对应的第二无线通信模块；
利用数据汇总模块对所述多个第二无线通信模块的数据进行缓存，所述数据汇总模块通过接口将缓存的数据上传至上位机。
在其中一个实施例中，所述每一采集通道均利用所述无线通信协议通过接口模块将采集设备的数据发送至第一无线通信模块的步骤还包括：
第一无线通信模块获取所述接口类型对应的接口协议；
利用单片机将所述接口协议转换为所述无线通信协议；
所述单片机利用所述无线通信协议向第一无线通信模块的收发器传输数据。
上述的分布式数据采集系统和方法，通过在采集设备一侧设置与采集设备连接的多个采集通道，能够同步采集多个设备的数据；并且通过点对点无线通信的方式将采集通道的数据传输至数据通信模块并进行汇总，再将汇总后的数据通过接口上传至上位机，数据通信模块与上位机的设置不受空间限制，从而避免了系统部件的集中摆放，具有较好的灵活性和通用性。
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作简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为一个实施例中一种分布式数据采集系统整体架构图；
图2为另一个实施例中的接口模块的结构示意图；
图3为又一个实施例中的采集通道与数据模块无线通信的示意图；
图4为一个实施例提供的一种分布式数据采集方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
请参照如图1所示，图1为分布式数据采集系统整体机架构图，本申请提供了一种分布式数据采集系统，具体地该系统包括：多个采集通道、数据通信模块和上位机。每一数据采集通道均包括：接口模块和第一无线通信模块。数据通信模块包括：数据汇总模块和多个第二无线通信模块。接口模块的一端与采集设备连接，从而将采集设备的数据通过接口模块接入采集通道，另一端与第一无线通信模块连接，以使采集通道通过无线方式传输接口模块的传输的数据。多个第一无线通信模块和多个第二无线通信模块点对点连接，以使数据通信模块能够与多个采集通信无线通信。数据汇总模块的一端与多个第二无线通信模块连接，数据汇总模块的另一端通过接口与上位机连接。
在具体实施过程中，由于接口模块需要直接与采集设备连接，因此采集通道应当设置在采集设备一侧，即采集通道靠近工业仪表的实际安装位置放置，而对数据通信模块和上位机的放置可根据使用的需求或工业仪表安装位置的实际环境设置。
上述分布式数据采集系统，通过在采集设备一侧设置与采集设备连接的多个采集通道，能够同步采集多个设备的数据，具有较好的同步性；并且通过点对点无线通信的方式将采集通道的数据传输至数据通信模块并进行汇总，再将汇总后的数据通过接口上传至上位机，数据通信模块与上位机的设置不受空间限制，从而避免了系统部件的集中摆放，具有较好的灵活性和通用性。
在一个实施例中，请参照图2所示，图2示出了接口模块的结构，在具体实施过程中分布式数据采集系统的接口模块包括：CAN接口、IIC接口、以太网接口、串口、SPI接口、USB接口和扩展接口。
上述分布式数据采集系统能够与多种采集设备接口适配，同时还预留有扩展接口，能够满足大部分工业、科研领域数据采集的实际使用场景，使得系统具有较好的通用性和扩展性。
在另一个实施例中，请参照图3所示，图3为采集通道与数据模块无线通信的示意图，每一个数据采集通道均具有相同的结构和功能，以其中任意一个采集通道举例来说，第一无线通信模块包括用于将接口协议转换成无线通信协议的单片机、按键和第一无线收发器；
接口模块、按键和第一无线收发器均与单片机连接；按键用于选择接口模块的接口协议的类型；第一无线收发器用于接收单片机的数据和/或向单片机发送数据。
上述分布式数据系统，通过设置按键方便用户对不同的接口协议进行选择，并且能够将不同的接口协议统一转换成无线通信协议，避免了以数据线的方式进行传输，从而降低了通信线路交织带来的安全隐患。
在一个实施例中，第一无线通信模块的数量与第二无线通信模块的数量相同，每一第二无线通信模块均设置有与第一无线收发器无线通信的第二无线收发器。较佳的，接口模块、第一无线通信模块和第二无线通信模块的数量均为八个。
请继续参照图1所示，接口模块1的一端与设备1连接，另一端连接至第一无线通信模块1，构成采集通道1，同理得到采集通道2至采集通道8，相应的数据通信模块设置有8个第二无通信模块，即第一通信模块n和第二通信模块n点对点通信连接，从而将设备n的数据传输到数据汇总模块(其中n大于等于1且小于等于8的整数)；同理设备1至设备8均可通过对应的采集通道1至采集通道8将数据传输到数据汇总模块，实现了分布式数据采集和集中化的数据管理。
在另一个实施例中，由于多个采集通道是并行传输的，因而为方便多个设备同时采集数据，较佳的数据采集通道包括FPGA芯片和DDR4芯片，FPGA芯片设置在第二无线通信模块与接口之间，且DDR4芯片与FPGA连接；其中，FPGA芯片内例化有使用IP核生成的FIFO模块和DDR4控制模块，以使FPGA中的数据经由FIFO和DDR4缓存后输出。
上述分布式数据采集系统利用FPGA的数据并行处理能力，将多个分布式的采集通道的数据经过DDR4和FIFO的数据缓存之后通过统一的接口上传值上位机，即采用先进先出的原则缓冲多个采集通道的数据，再将缓冲的数据发送至上位机，较佳的与上位机连接的接口为USB3.1接口，上位机采用LabVIEW编写，用于配置多个采集通道，以及接收保存数据汇总模块发送的数据。
根据本发明的另一方面，还提供了一种分布式数据采集方法，请参照图4所示，该方法包括以下步骤：
S1，上位机获取多个采集设备的接口类型，并根据接口类型配置多个采集通道。
在实施过程配置采集通道的过程由上位机完成，采集通道配置完成后仅支持一种类型的接口，即每个通道在任意一次配置中只有一种类型的接口协议有效，并且实施者还能够完成其他参数信息的设置，例如采集周期、采集频率、数据采集的开始与暂停等。
S2，配置多个采集通道的接口协议，其中，每一采集通道均利用所述接口协议将采集设备的数据发送至第一无线通信模块。
在具体实施过程中，每一个无线通信模块均设置有用于选择接口通信协议的按键，例如用户在采集通道1的第一无线通信模块1上触发了以太网接口的按键，则此时采集通道1就使用以太网接口协议，需要更换为其它形式的接口时用户触发相应类型的按键即可。
S3，第一无线通信模块与第二无线通信模块点对点通信，以将多个第一无线通信模块的数据发送至多个对应的第二无线通信模块。
S4，利用数据汇总模块对多个第二无线通信模块的数据进行缓存；数据汇总模块通过接口将缓存的数据上传至上位机。
其中，为了便于数据的后续处理，上位机可具体配置为能够将采由数据汇总模块发送的数据在采集结束后统一导出为Excel格式的数据，从而方便后续对采集数据的分析。
上述分布式数据采集方法，通过在上位机上根据接口的类型配置多个采集通道，再利用配置后的采集通道先与采集设备通信，再通过点对点无线通信的方式将采集设备的数据以无线传输到数据汇总模块，最后利用数据汇总模块通过数据通信模块的接口将数据上传至上位机，实现了多通道同步数据采集和无线传输，避免了传统数据采集对线路以及设备摆放的空间限制，具有较好的灵活性和通用性。
在另一个实施例中，在前述实施例的基础上，上述步骤S2具体包括以下步骤：
S21，第一无线通信模块获取接口类型对应的接口协议；
S22，利用单片机将接口协议转换为无线通信协议；
S23，单片机利用无线通信协议向第一无线通信模块的收发器传输数据。
以上所述的数据采集方法，通过使用单片机对通用性的接口模块的接口协议进行转换，从而支持不同接口类型均采用无线通信协议进行传输，能够满足大部分的工业、科研数据采集接口转换的需求，解决了数据采集系统接口适配的问题，具有较好的扩展性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种分布式数据采集系统，其特征在于，所述系统包括：
上位机；
多个采集通道，每一采集通道均包括接口模块和第一无线通信模块，所述接口模块的一端与采集设备连接，另一端与第一无线通信模块连接；
数据通信模块，所述数据通信模块包括数据汇总模块和多个第二无线通信模块，多个第二无线通信模块和多个第一无线通信模块点对点连接，所述数据汇总模块的一端与多个第二无线通信模块连接，另一端通过接口与上位机连接。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接口模块包括CAN接口、IIC接口、以太网接口、串口、SPI接口、USB接口和扩展接口。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一无线通信模块包括用于将接口协议转换成无线通信协议的单片机、按键和第一无线收发器；
所述接口模块、按键和第一无线收发器均与所述单片机连接；
所述按键用于选择所述接口模块的接口协议的类型；
所述第一无线收发器用于接收所述单片机的数据和/或向所述单片机发送数据。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一无线通信模块的数量与所述第二无线通信模块的数量相同，每一第二无线通信模块均设置有与所述第一无线收发器无线通信的第二无线收发器。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据通信模块包括FPGA芯片和DDR4芯片；
所述FPGA芯片设置在第二无线通信模块与接口之间，且所述DDR4芯片与所述FPGA连接；
所述FPGA芯片内例化有使用IP核生成的FIFO模块和DDR4控制模块。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，与所述上位机连接的接口为USB3.1。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机采用LabVIEW编写，用于配置所述多个采集通道，以及接收保存所述数据汇总模块发送的数据。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接口模块、所述第一无线通信模块和所述第二无线通信模块的数量均为八个。
9.一种分布式数据采集方法，其特征在于，所述方法包括：
上位机获取多个采集设备的接口类型，并根据所述接口类型配置多个采集通道；
配置多个采集通道的所述接口模块的接口协议，其中，每一采集通道均利用所述接口协议将采集设备的数据发送至第一无线通信模块；
第一无线通信模块与第二无线通信模块点对点通信，以将多个第一无线通信模块的数据发送至多个对应的第二无线通信模块；
利用数据汇总模块对所述多个第二无线通信模块的数据进行缓存，所述数据汇总模块通过接口将缓存的数据上传至上位机。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述每一采集通道均利用所述无线通信协议通过接口模块将采集设备的数据发送至第一无线通信模块的步骤还包括：
第一无线通信模块获取所述接口类型对应的接口协议；
利用单片机将所述接口协议转换为所述无线通信协议；
所述单片机利用所述无线通信协议向第一无线通信模块的收发器传输数据。
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