CN118018363A - 一种多通道数据同步采集和高速传输的网关设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种多通道数据同步采集和高速传输的网关设备,涉及数据采集技术领域,网关设备包括:数模转换单元,FPGA模块,主控制器;FPGA模块包括模数转换驱动单元,逻辑运算单元和双口内存模块;模数转换单元,用于对采集的模拟信号进行模数转换;模数转换驱动单元,用于产生多路同步控制信号,同步控制信号用于驱动多个模数转换模块完成多周期同步模数转换;逻辑运算单元,用于接收模数转换驱动模块采集到的数据并进行运算;双口内存模块包括第一接口和第二接口,第一接口用于接收逻辑运算模块的运算结果,第二接口用于连接主控制器;主控制器用于控制逻辑运算单元,以及通过网络接口与上位机进行通信。实现高效数据采集与传输。
Description
技术领域
本发明涉及数据采集技术领域,一种特别涉及多通道数据同步采集和高速传输的网关设备。
背景技术
随着工业互联网的推广,对模拟数据采集质量的要求也在不断提高。在一些场景下(如电能质量分析、振动分析),通常需要对多个独立的采集点进行聚合计算,要求每个的采集点的单次采集动作都要在同一时刻完成。同时,精度越高的采集工作产生的数据量也越大。这就对数据采集控制和数据传输能力提出了很高的要求。市场上有一些类似的产品,其中一部分采用了高端芯片作为核心处理器,实现了高速、并行地数据采集与传输。这类产品价格昂贵,较大程度上限制了产品的市场普及性。还有一些产品使用了低功耗处理器和普通通信方法,成本较低,但在多通道数据同步采集和高速传输方面存在一定的瓶颈。
发明内容
本发明提供一种多通道数据同步采集和高速传输的网关设备,实现了高效数据采集与传输。
根据本公开的一方面,提供了一种多通道数据同步采集和高速传输的网关设备,所述网关设备包括:模数转换单元,可编程逻辑器件FPGA模块,主控制器;
其中,所述模数转换单元包含多个模数转换模块,用于对外部输入的模拟信号进行模拟到数字的转换;
所述可编程逻辑器件FPGA模块包括模数转换驱动单元,逻辑运算单元和双口内存模块;所述模数转换驱动单元包括多个模数转换驱动模块,所述逻辑运算单元包括多个逻辑运算模块;
所述模数转换模块的数量与模数转换驱动模块的数量及逻辑运算模块的数量相同;
所述模数转换驱动单元,用于产生多路同步控制信号,所述同步控制信号用于驱动多个模数转换模块完成多周期同步模数转换;
所述逻辑运算单元,用于接收模数转换驱动单元采集到的数据并进行运算;
所述双口内存模块包括第一接口和第二接口,所述第一接口用于接收逻辑运算模块的运算结果,所述第二接口用于连接主控制器;
所述主控制器用于控制所述逻辑运算单元,以及通过网络接口与上位机进行通信。
在一种可能的实现方式中,所述网关设备包括硬件接口,所述主控制器还用于通过直接存储器访问技术将所述双口内存模块中数据传送到硬件接口外设的缓存中。
在一种可能的实现方式中,所述逻辑运算模块通过总线控制模块将逻辑运算模块的运算结果发送至所述第一接口;其中,所述总线控制模块由先进先出FIFO模块和总线驱动模块组成,各个逻辑运算模块将处理后的数据按照模块编号依次写入先进先出FIFO模块进行缓存,所述总线驱动模块从所述先进先出FIFO模块中读出数据再按照相应时序写入到所述双口内存模块。
在一种可能的实现方式中,所述可编程逻辑器件FPGA模块包括时钟单元,所述时钟单元包括时序电路,用于控制所述模数转换驱动单元,所述逻辑运算单元和所述总线控制模块在相同的时序下工作。
在一种可能的实现方式中,所述第二接口通过FMC驱动模块连接主控制器。
在一种可能的实现方式中,所述主控制器还用于通过人机操作设置所述网关设备的工作参数。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本公开实施例的一种多通道数据同步采集和高速传输的网关设备,基于入门级芯片的数据采集网关,采用先进的同步控制技术和高速数据传输方法,使得该数采网关不仅可以实现高效数据采集与传输,还具有成本相对较低、应用场景更加广泛的优势。可以在保证数据采集效率和品质的同时,大幅降低产品成本。
附图说明
图1示出本公开一实施例的一种多通道数据同步采集和高速传输的网关设备的框图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面,但是除非特别指出,不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外,为了更好的说明本公开,在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解,没有某些具体细节,本公开同样可以实施。在一些实例中,对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述,以便于凸显本公开的主旨。
图1示出本公开一实施例的一种多通道数据同步采集和高速传输的网关设备的框图。如图1所示,
所述网关设备包括:模数转换单元,可编程逻辑器件FPGA模块,主控制器;如图1中的设备内部所示;
其中,所述模数转换单元包含多个模数转换模块,用于对外部输入的模拟信号进行模拟到数字的转换;
所述可编程逻辑器件FPGA模块包括模数转换单元,模数转换驱动单元,逻辑运算单元和双口内存模块;所述模数转换单元包括多个模数转换模块,所述模数转换驱动单元包括多个模数转换驱动模块,所述逻辑运算单元包括多个逻辑运算模块;
所述模数转换模块的数量与模数转换驱动模块的数量及逻辑运算模块的数量相同;
所述模数转换驱动单元,用于产生多路同步控制信号,所述同步控制信号用于驱动多个模数转换模块完成多周期同步模数转换;
所述逻辑运算单元,用于接收模数转换驱动模块单元采集到的数据并进行运算;
所述双口内存模块包括第一接口(接口1)和第二接口(接口2),所述第一接口用于接收逻辑运算模块的运算结果,所述第二接口用于连接主控制器;
所述主控制器用于控制所述逻辑运算单元,以及通过网络接口与上位机进行通信。利用可编程逻辑器件FPGA构建模数转换驱动模块,该模块可以产生多路同步控制信号,用来驱动多个模数转换模块完成多周期同步模数转换;利用可编程逻辑器件根据采集通道数量构建多个、能够并行工作的逻辑运算模块,逻辑运算模块接收模数转换驱动模块采集到的数据,再进行加工转换;利用可编程逻辑器件构建双口内存模块(包含对应的时序电路),双口内存模块的两个接口分别连接逻辑运算单元和主控制器;主控器使用直接存储器访问技术将双口内存模块中数据传送到硬件接口外设的缓存中,完成数据的高速传输。
在一种可能的实现方式中,所述网关设备包括硬件接口,所述主控制器还用于通过直接存储器访问技术将所述双口内存模块中数据传送到硬件接口外设的缓存中。
直接内存访问(DMA,Direct Memory Access)是一些计算机总线架构提供的功能,它能使数据从附加设备(如磁盘驱动器)直接发送到计算机主板的内存上。
在一种可能的实现方式中,所述逻辑运算模块通过总线控制模块将逻辑运算模块的运算结果发送至所述第一接口;其中,所述总线控制模块由先进先出FIFO模块和总线驱动模块组成,各个逻辑运算模块将处理后的数据按照模块编号依次写入先进先出FIFO模块进行缓存,所述总线驱动模块从所述先进先出FIFO模块中读出数据再按照相应时序写入到所述双口内存模块。
在一种可能的实现方式中,所述可编程逻辑器件FPGA模块包括时钟单元,所述时钟单元包括时序电路,用于控制所述模数转换驱动单元,所述逻辑运算单元和所述总线控制模块在相同的时序下工作。
根据模数转换模块的数量,利用可编程逻辑器件(FPGA)生成相同数量的模数转换驱动模块,这些模数转换驱动模块由同一个时序单元控制,从而实现各个独立的模数转换模块在同一时序下工作。利用FPGA根据模数转换驱动模块的数量构建相同数量的逻辑运算模块,逻辑运算模块对采集到的数据进行运算,如:真实值计算、频率计算、补偿、过滤等;利用FPGA构建双口RAM(双口内存模块)及对应的时序电路。双口RAM的两个接口分别与逻辑运算单元和主控制器连接:与主控制器(ARM)连接的接口按照FMC接口进行设计。主控制器ARM通过FMC接口访问FPGA内部的双口内存模块,其逻辑关系与访问外部内存相同。使用DMA技术将双口RAM中数据搬运至外设模块 的缓存中,因为采用了DMA技术 ,FPGA中的数据可以被直接复制到外设缓存中完成数据上传,无需CPU控制,减少了对主控运算要求。
FMC:英文全称,Flexible Memory Controller,灵活存储控制器,主控制器可以通过该控制器与SRAM、SDRAM、ROM等外部存储器连接。在本方案中,FPGA内部建立了FMC驱动模块,使得主控制器能够通过FMC接口连接双口RAM模块。
在一种可能的实现方式中,所述第二接口通过FMC驱动模块连接主控制器。因为采用了直接内存访问DMA技术,FPGA中的数据可以被直接复制到外设缓存中完成数据上传,无需CPU控制,减少了对主控运算的要求。
在一种可能的实现方式中,所述主控制器还用于通过人机操作设置所述网关设备的工作参数。举例来说,工作人员可以通过网关设备的操作面板设置相关的参数,本公开不进行限定。
需要说明的是,对于前述的各方法实施例,为了简单描述,故将其都表述为一系列的动作组合,但是本领域技术人员应该知悉,本公开并不受所描述的动作顺序的限制,因为依据本公开,某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次,本领域技术人员也应该知悉,说明书中所描述的实施例均属于可选实施例,所涉及的动作和模块并不一定是本公开所必须的。
在上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述的部分,可以参见其他实施例的相关描述。
在本公开所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的装置,可通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本公开各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件程序模块的形式实现。
所述集成的单元如果以软件程序模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解,本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储器中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括:U盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成,该程序可以存储于一计算机可读存储器中,存储器可以包括:闪存盘、只读存储器(英文:Read-Only Memory ,简称:ROM)、随机存取器(英文:Random Access Memory,简称:RAM)、磁盘或光盘等。
以上对本公开实施例进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本公开的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本公开的限制。
这里参照根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解,流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合,都可以由计算机可读程序指令实现。
附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上,流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分,所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个连续的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合,可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
以上已经描述了本公开的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择,旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进,或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (6)
1.一种多通道数据同步采集和高速传输的网关设备,其特征在于,所述网关设备包括:模数转换单元,可编程逻辑器件FPGA模块,主控制器;
其中,所述模数转换单元包含多个模数转换模块,用于对外部输入的模拟信号进行模拟到数字的转换;
所述可编程逻辑器件FPGA模块包括模数转换驱动单元,逻辑运算单元和双口内存模块;所述模数转换驱动单元包括多个模数转换驱动模块,所述逻辑运算单元包括多个逻辑运算模块;
所述模数转换模块的数量与模数转换驱动模块的数量及逻辑运算模块的数量相同;
所述模数转换驱动单元,用于产生多路同步控制信号,所述同步控制信号用于驱动多个模数转换模块完成多周期同步模数转换;
所述逻辑运算单元,用于接收模数转换驱动单元采集到的数据并进行运算;
所述双口内存模块包括第一接口和第二接口,所述第一接口用于接收逻辑运算模块的运算结果,所述第二接口用于连接主控制器;
所述主控制器用于控制所述逻辑运算单元,以及通过网络接口与上位机进行通信。
2.根据权利要求1所述的一种多通道数据同步采集和高速传输的网关设备,其特征在于,所述网关设备包括硬件接口,所述主控制器还用于通过直接存储器访问技术将所述双口内存模块中数据传送到硬件接口外设的缓存中。
3.根据权利要求1所述的一种多通道数据同步采集和高速传输的网关设备,其特征在于,所述逻辑运算模块通过总线控制模块将逻辑运算模块的运算结果发送至所述第一接口;其中,所述总线控制模块由先进先出FIFO模块和总线驱动模块组成,各个逻辑运算模块将处理后的数据按照模块编号依次写入先进先出FIFO模块进行缓存,所述总线驱动模块从所述先进先出FIFO模块中读出数据再按照相应时序写入到所述双口内存模块。
4.根据权利要求3所述的一种多通道数据同步采集和高速传输的网关设备,其特征在于,所述可编程逻辑器件FPGA模块包括时钟单元,所述时钟单元包括时序电路,用于控制所述模数转换驱动单元,所述逻辑运算单元和所述总线控制模块在相同的时序下工作。
5.根据权利要求1所述的一种多通道数据同步采集和高速传输的网关设备,其特征在于,所述第二接口通过FMC驱动模块连接主控制器。
6.根据权利要求1所述的一种多通道数据同步采集和高速传输的网关设备,其特征在于,所述主控制器还用于通过人机操作设置所述网关设备的工作参数。
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