CN113742268A - 一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统 - Google Patents

一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，涉及数据采集技术领域，该系统包括：模拟输入模块、外触发输入模块、FPGA模块、光纤以太网接口模块和存储模块；Trigin采集卡用于采集第一数据，第一数据经程控增益放大器PGA、ADC模块、FPGA模块及光纤以太网接口模块后传输至上位机；CH1采集卡用于采集第二数据，第二数据经外触发控制模块、FPGA模块及光纤以太网接口模块后传输至上位机。本系统支持1个模拟输入通道和一个外触发输入通道。模拟前端集成了程控增益放大器PGA，在输入1MΩ或50Ω时有多个输入档位供用户选择。适合工业现场数据采集。能够借助光纤传输和TCP/IP的优势，采集的数据支持可支持长距离、可靠地传输到上位机，抗干扰能力极强。

Description

一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统
技术领域
本发明涉及数据采集技术领域，具体而言，涉及一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统。
背景技术
数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析及处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。
现有的数据采集系统功能较为单一，无法满足多中方式数据采集。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统。
本发明的实施例是这样实现的：
本实施例提供一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，包括：模拟输入模块、外触发输入模块、FPGA模块、光纤以太网接口模块和存储模块；上述存储模块、上述光纤以太网接口模块分别与上述FPGA模块相连；上述模拟输入模块包括依次连接的Trigin采集卡、程控增益放大器PGA和ADC模块；上述Trigin采集卡用于采集第一数据，上述第一数据经程控增益放大器PGA、ADC模块、FPGA模块及光纤以太网接口模块后传输至上位机；上述外触发输入模块包括CH1采集卡和外触发控制模块，上述CH1采集卡用于采集第二数据，上述第二数据经外触发控制模块、FPGA模块及光纤以太网接口模块后传输至上位机。
在本发明的一些实施例中，上述模拟输入模块设置1M/50欧姆两种输入阻抗。
在本发明的一些实施例中，上述模拟输入模块还包括时钟管理模块，用于提供Trigin采集卡的采集频率。
在本发明的一些实施例中，还包括电源模块，上述电源模块的供电端与上述模拟输入模块、外触发输入模块、FPGA模块、光纤以太网接口模块和存储模块连接。
在本发明的一些实施例中，上述电源模块为电池，上述电池的供电端与上述模拟输入模块、外触发输入模块、FPGA模块、光纤以太网接口模块和存储模块连接。
在本发明的一些实施例中，上述ADC模块设置时间戳信息的功能，时间戳信息包括GPS时间戳及用户自定义时间戳。
在本发明的一些实施例中，还包括设置API库，上述API库用于用户使用不同的语言和编程环境与上述FPGA模块通信。
在本发明的一些实施例中，还包括：有限点单次触发采集模块：用于一次触发Trigin采集卡/CH1采集卡启动采集一次，采集数据存储在上述存储模块内；
无限点单次触发采集模块：用于一次触发Trigin采集卡/CH1采集卡启动采集一次，采集数据通过存储模块缓冲后连续不断的上传到上位机主内存中；
有限点多次触发采集模块：用于Trigin采集卡/CH1采集卡被激活后可以接收多次触发，可将板载内存分成多段分别存储触发数据；
无限点多次触发采集模块：用于在无限点单次触发采集模块基础上，增加无限次接受触发功能，将每次触发的数据分段后源源不断的上传到上位机主内存中。
在本发明的一些实施例中，还包括：环形缓冲功能模块，用于可以采集触发时刻以前的信号，一旦Trigin采集卡满足触发条件，触发前的采集数据和触发后的数据将会同时存入板载的大容量存储器中；随后通过以太网传给上位机；在一次触发-采集过程中，用户可以自由设置触发前采集数据长度和触发后采集数据长度，这两个长度之和为一次采集数据总长度。
在本发明的一些实施例中，还包括：无限点采集模块，包括FIFO存储器，用于允许采集数据由FIFO存储器缓冲后连续不断的通过以太网传输到上位机；在FIFO存储器中，系统会预先设置FIFO存储器容量和实时监测FIFO存储器状态，并自动启动DMA操作，进行数据搬运工作；在FIFO存储器工作后，其采集数据长度容许无限长，限制条件为主机的内存容量或硬盘容量。
在本发明的一些实施例中，还包括：多次触发采集模块：用于将存储空间分成N个子段，可以接收连续触发操作；将每次触发前后采集的数据存入对应的存储器子段，这个过程不需要软件干预，Trigin采集卡也不需要重新启动；存储空间分段的数量受设置的每次采集数据长度和板载内存容量大小限制。
本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：
本发明实施例提供一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，支持1个模拟输入通道和一个外触发输入通道。模拟前端集成了程控增益放大器PGA，在输入1MΩ或50Ω时有多个输入档位供用户选择。具体的，设置了模拟输入模块、外触发输入模块、FPGA模块、光纤以太网接口模块和存储模块。适合工业现场数据采集。能够借助光纤传输和TCP/IP的优势，采集的数据支持可支持长距离、可靠地传输到上位机，抗干扰能力极强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统一实施例的结构示意图；
图2为本发明一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统一实施例中环形缓冲功能模块的工作状态图；
图3为本发明一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统一实施例中环形缓冲功能模块的工作状态图；
图4为本发明一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统一实施例中无限点采集模块的工作状态图；
图5为本发明一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统一实施例中多次触发采集模块的工作状态图。
图标：1、Trigin采集卡；2、程控增益放大器PGA；3、ADC模块；4、CH1采集卡；5、外触发控制模块；6、FPGA模块；7、光纤以太网接口模块；8、存储模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
请参照图1，本实施例提供一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，包括：模拟输入模块、外触发输入模块、FPGA模块、光纤以太网接口模块和存储模块；上述存储模块、上述光纤以太网接口模块分别与上述FPGA模块相连；上述模拟输入模块包括依次连接的Trigin采集卡、程控增益放大器PGA和ADC模块；上述Trigin采集卡用于采集第一数据，上述第一数据经程控增益放大器PGA、ADC模块、FPGA模块及光纤以太网接口模块后传输至上位机；上述外触发输入模块包括CH1采集卡和外触发控制模块，上述CH1采集卡用于采集第二数据，上述第二数据经外触发控制模块、FPGA模块及光纤以太网接口模块后传输至上位机。
该系统采用socket通信机制，支持socket通信的系统都能够与本系统建立连接正常通信。进一步的，该系统通过光纤以太网接口支持两种方式与上位机互联，一种是通过光交换机和路由器，一种是通过光交换机直连。设置模拟输入模块和外触发输入模块，支持1个模拟输入通道和一个外触发输入通道。模拟输入模块集成了程控增益放大器PGA，在输入1MΩ或50Ω时有多个输入档位供用户选择。具体的，设置了模拟输入模块、外触发输入模块、FPGA模块、光纤以太网接口模块和存储模块。适合工业现场数据采集。能够借助光纤传输和TCP/IP的优势，采集的数据支持可支持长距离、可靠地传输到上位机，抗干扰能力极强。
在本发明的一些实施例中，上述模拟输入模块还包括时钟管理模块，用于提供Trigin采集卡的采集频率。
采集时钟的随机抖动会劣化采集系统的信噪比，而且随着输入信号频率的增加，采集时钟的抖动对信噪比的影响会越来越明显。因此本系统采用超低抖动时钟信号产生模块配合高稳定、低相位噪声时钟参考源来保证采集时钟的性能。板载100MHz的TCXO作为时钟模块的参考时钟，可以使板卡进行独立的采集工作。
在本发明的一些实施例中，还包括电源模块，上述电源模块的供电端与上述模拟输入模块、外触发输入模块、FPGA模块、光纤以太网接口模块和存储模块连接。
上述电源模块可以为电池，Trigin采集卡和CH1采集卡支持电池供电、直流12V两种供电方式，供客户灵活选择。
在本发明的一些实施例中，上述ADC模块设置时间戳信息的功能，时间戳信息包括GPS时间戳及用户自定义时间戳。
Trigin采集卡提供在AD数据流中打入时间戳(timestamp)信息的功能，可选的时间戳信息有GPS时间戳及用户自定义时间戳(如计数器)，便于用户进行记录查询。
在本发明的一些实施例中，还包括设置API库，上述API库用于用户使用不同的语言和编程环境与上述FPGA模块通信。
用户使用不同的语言和编程环境与本系统通信时有两种方式，一种是通过网络数据包向设备发送命令帧和接收数据，这是底层软件的实现方式，该方式不受限于操作系统或者编程语言，使用范围广。另一种方式是调用我们提供的API库，用户不需要关心命令帧的格式和如何获取数据，使用方便。该方式优点是易于编程，程序相对简短。
调用API库的方式与本品通信的方法：
系统发布的软件包中包含了封装的静态库ld_api.lib,有Win32和x64两个目标平台的，分别放在对应的目录下。静态库由VS2010编译导出，用VS2012开发例程，在Win32和x64实测过功能正常。
静态库的头文件ld_api.h定义了静态库函数的原型和参数说明，请参考下表1：
表1，静态库的头文件ld_api.h定义了静态库函数的原型和参数说明；
Figure BDA0003261673360000081
Figure BDA0003261673360000091
静态库持续更新，请获取最新版本的软件包，查看ld_api.h。
用户调用API库与本系统通信应遵循一定的操作流程，如图2所示：
产品有多个参数可设，用户可多次调用ld_SedParam_i32函数配置设备参数。函数将参数缓存在软件中，直到用户执行ld_SetDaqParam函数时才会将参数写入设备的存储空间。当用户执行初始化设备函数ld_SetInitCard时，所有参数开始生效，只要用户不修改参数或者不重新上电，不再需要重新执行以上过程。
当本系统收到开始采集命令ld_StartDaq后，设备进入等待出发的状态，一旦达到触发条件，设备自动将采集到的数据发送到网络上。用户通过ld_GetData函数获取指定长度的数据到指定的buffer中。当设备收到ld_StopDaq命令后立刻停止采集，将剩余未发出的数据发送完毕后停止工作。如图2所示，如果用户想要循环执行采集程序，可再次执行采集命令ld_StartDaq开始新的采集过程。
本实施例中，配置了API库，便于用户调用API库，易于编程，程序相对简短。
在本发明的一些实施例中，还包括：
有限点单次触发采集模块：一次触发Trigin采集卡/CH1采集卡启动采集一次，采集数据存储在上述存储模块内；
无限点单次触发采集模块：一次触发Trigin采集卡/CH1采集卡启动采集一次，采集数据通过存储模块缓冲后连续不断的上传到上位机主内存中；
有限点多次触发采集模块：Trigin采集卡/CH1采集卡的采集卡被激活后可以接收多次触发，可将板载内存分成多段分别存储这些触发数据；
无限点多次触发采集模块：在无限点单次触发采集模块基础上，增加无限次接受触发功能，将每次触发的数据分段后源源不断的上传到上位机主内存中。
本实施中，提供了有限点单次触发采集模块、无限点单次触发采集模块、有限点多次触发采集模块和无限点多次触发采集模块，相较于现有技术，提供多种采集方式，以满足不同采集需求，适用性强。
本系统支持多种采集模块，通过命令用户可方便的设置模式，采集参数。不同工作模式适用于不同的应用场景，内部的工作过程也会不同。有限点模式与无限点模式的主要区别是有限点采集模块的数据量受板载内存容量限制。对板载内存来说，采集数据时只有写操作；上传数据到PC机内存时只有读操作，所以可以支持到最高的采样率。本品支持有限点单次触发、有限点多次触发、无限点单次触发、无限点多次触发4种采集模块。用户也可控制变压触发或者电平触发模式。而内部寄存器模式是为了方便软件调试而设置的。采集模块和触发模式必须通过同一条命令设置。
请参考图3，在本发明的一些实施例中，还包括：
环形缓冲功能模块，用于可以采集触发时刻以前的信号，一旦Trigin采集卡满足触发条件，触发前的采集数据和触发后的数据将会同时存入板载的大容量存储器中；随后通过以太网传给上位机；在一次触发-采集过程中，用户可以自由设置触发前采集数据长度和触发后采集数据长度，这两个长度之和为一次采集数据总长度。
本实施例中，用户可以自由设置触发前采集数据长度和触发后采集数据长度，这两个长度之和为一次采集数据总长度。便于用户根据实际需要进行设置采集数据长度。
请参考图4，在本发明的一些实施例中，还包括：无限点采集模块，包括FIFO存储器，用于允许采集数据由FIFO存储器缓冲后连续不断的通过以太网传输到上位机；在FIFO存储器中，系统会预先设置FIFO存储器容量和实时监测FIFO存储器状态，并自动启动DMA操作，进行数据搬运工作；在FIFO存储器工作后，其采集数据长度容许无限长，限制条件为主机的内存容量或硬盘容量。
本实施例中，允许采集数据由该FIFO存储器缓冲后连续不断的通过以太网传输到上位机，传输速度快。
请参考图5，在本发明的一些实施例中，还包括：多次触发采集模块：用于将存储空间分成N个子段，可以接收连续触发操作；将每次触发前后采集的数据存入对应的存储器子段，这个过程不需要软件干预，Trigin采集卡也不需要重新启动；存储空间分段的数量受设置的每次采集数据长度和板载内存容量大小限制。
本实施例中，系统自动将每次触发前后采集的数据存入对应的存储器子段，这个过程不需要软件干预，Trigin采集卡也不需要重新启动，便于用户操作。
综上，本发明实施例提供一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统设置了模拟输入模块、外触发输入模块、FPGA模块、光纤以太网接口模块和存储模块。适合工业现场数据采集。能够借助光纤传输和TCP/IP的优势，采集的数据支持可支持长距离、可靠地传输到上位机，抗干扰能力极强。本系统支持多种采集模块，通过命令用户可方便的设置模式，采集参数。不同工作模式适用于不同的应用场景，内部的工作过程也会不同。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，其特征在于，包括：
模拟输入模块、外触发输入模块、FPGA模块、光纤以太网接口模块和存储模块；
所述存储模块、所述光纤以太网接口模块分别与所述FPGA模块相连；
所述模拟输入模块包括依次连接的Trigin采集卡、程控增益放大器PGA和ADC模块；所述Trigin采集卡用于采集第一数据，所述第一数据经程控增益放大器PGA、ADC模块、FPGA模块及光纤以太网接口模块后传输至上位机；
所述外触发输入模块包括CH1采集卡和外触发控制模块，所述CH1采集卡用于采集第二数据，所述第二数据经外触发控制模块、FPGA模块及光纤以太网接口模块后传输至上位机。
2.根据权利要求1所述的一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，其特征在于，所述模拟输入模块设置1M/50欧姆两种输入阻抗。
3.根据权利要求1所述的一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，其特征在于，所述模拟输入模块还包括时钟管理模块，用于提供Trigin采集卡的采集频率。
4.根据权利要求1所述的一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块的供电端与所述模拟输入模块、外触发输入模块、FPGA模块、光纤以太网接口模块和存储模块连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，其特征在于，所述ADC模块设置时间戳信息的功能，时间戳信息包括GPS时间戳及用户自定义时间戳。
6.根据权利要求1所述的一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，其特征在于，还包括设置API库，所述API库用于用户使用不同的语言和编程环境与所述FPGA模块通信。
7.一种根据权利要求1所述的一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，其特征在于，还包括：
有限点单次触发采集模块：用于一次触发Trigin采集卡/CH1采集卡启动采集一次，采集数据存储在所述存储模块内；
无限点单次触发采集模块：用于一次触发Trigin采集卡/CH1采集卡启动采集一次，采集数据通过存储模块缓冲后连续不断的上传到上位机主内存中；
有限点多次触发采集模块：用于Trigin采集卡/CH1采集卡被激活后可以接收多次触发，可将板载内存分成多段分别存储触发数据；
无限点多次触发采集模块：用于在无限点单次触发采集模块基础上，增加无限次接受触发功能，将每次触发的数据分段后源源不断的上传到上位机主内存中。
8.一种根据权利要求1所述的一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，其特征在于，还包括：
环形缓冲功能模块，用于可以采集触发时刻以前的信号，一旦Trigin采集卡满足触发条件，触发前的采集数据和触发后的数据将会同时存入板载的大容量存储器中；随后通过以太网传给上位机；在一次触发-采集过程中，用户可以自由设置触发前采集数据长度和触发后采集数据长度，这两个长度之和为一次采集数据总长度。
9.一种根据权利要求1所述的一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，其特征在于，还包括：
无限点采集模块，包括FIFO存储器，用于允许采集数据由FIFO存储器缓冲后连续不断的通过以太网传输到上位机；在FIFO存储器中，系统会预先设置FIFO存储器容量和实时监测FIFO存储器状态，并自动启动DMA操作，进行数据搬运工作；在FIFO存储器工作后，其采集数据长度容许无限长，限制条件为主机的内存容量或硬盘容量。
10.一种根据权利要求1所述的一种基于以太网光纤的高速脉冲采集系统，其特征在于，还包括：
多次触发采集模块：用于将存储空间分成N个子段，可以接收连续触发操作；将每次触发前后采集的数据存入对应的存储器子段，这个过程不需要软件干预，Trigin采集卡也不需要重新启动；存储空间分段的数量受设置的每次采集数据长度和板载内存容量大小限制。
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