CN204291231U - 一种城市综合管廊监测监控数据分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种城市综合管廊监测监控数据分析仪，包括仪器外观结构及数据分析处理DSP芯片DM6437、A/D转换芯片GM7113、数据存储器SDRAM、程序存储器FLASH、系统控制CPLD芯片EPM3128A、网络化传输芯片LXT971A等的线路连接；所述CPLD与DM6437、GM7113、LXT971A、SDRAM、FLASH之间均使用通用可编程的I/O口相连；所述GM7113和DM6437采用BT656连接；所述输入数据经过J5接口的信号线与GM7113的模拟输入端AI22直接相连。本实用新型可以克服传统的综合管廊监控数据处理线路路在运算性能、灵活性和升级性等方面的技术缺陷。

Description

一种城市综合管廊监测监控数据分析仪

技术领域

本实用新型属于信息与通信工程领域，特别涉及一种城市综合管廊监测监控数据分析仪。

背景技术

城市综合管廊是将电力、通信、给水、燃气、热力等各种不同的管线，共同敷设在一个地下空间中的市政管道的设置方案，也是一个利用城市地下空间建造的集约化的隧道空间。它将分散独立埋设在地下或架空的各种市政管线或公用管线部分或全部汇集到该隧道空间，并留有增设余地，同时设置专门的检修口、吊装口、监测和控制系统，并进行统一规划、统一设计、统一建设，实施共同维护和集中管理。随着城市化的发展进程，综合管廊将成为城市最基础的市政设施，长度会越来越长，容纳的管线也会越来越多，对综合管廊的日常维护管理的要求也会越来越高，将逐步实现综合管廊监控实时化、数据分析精确化、系统集中化和管理自动化。

综合管廊的监测监控系统应保证能准确、及时地探测管廊内的视频、火情、有害气体、空气含氧量、温度、湿度、水位、安防等环境参数，并应及时将信息传递至监控中心，应对沟内的机械风机、排水泵、供电设备、消防设施进行监测和控制。传统的综合管廊监测监控系统由于缺乏统一的质量管理标准和技术规范，系统之间互联互通性差、数据分析处理复杂、数据交换难以开展，设备技术指标、参数和接口设计等也往往不规范，设备不兼容，给综合管廊的安全管理带来了隐患。

近年来，随着网络和多媒体技术的发展，综合管廊监测监控系统的重要性和需求急剧增长，而其中的关键就在于管廊内视频、温湿度、气体、水电、安防等环境监控数据的处理和分析电路的应用。监控数据处理电路设计中，目前市场上流行的后端数据处理和分析芯片主要有ASIC和DSP两类。ASIC是专用数据处理器，易于产品设计，成本较低，可以集成一些外围接口，通过硬件实现数据分析，所开发出的产品功能较为单一，并具有同质性，比较适合于消费类产品应用，应用范围很窄，不便于产品升级。由于ASIC很多功能以及算法都固化在芯片上，不够灵活，硬件设备厂家在做产品开发时容易受制于芯片厂商。而DSP为通用媒体数据处理器，即以DSP为核心并集成视频单元和丰富的外围数据接口，能够获得更大的灵活性和更强的高性能，DSP可以全面支持各种标准格式视频编解码算法和各种数据接入接口规范，并且产品规划兼顾软件升级的兼容性，有利于未来产品更新换代。DSP也可以通过软件来实现数据分析，并且能扩展特色化功能。相对于ASIC的设计，在DSP平台上进行数据开发有以下几方面的优势：第一，用户开发自由度更大，支持多种个性化开发，可以满足市场不断提出的新要求，在第一时间提升产品性能，增强产品的竞争能力；第二，DSP处理能力强，可以在一个DSP上同时实现多路数据信号的压缩处理，同时还提供了很多专用功能，比如视频滤波、De-interlace处理、高分辨显示输出、OSD功能等，甚至象网络接口、IDE接口都成为了DSP的主要功能，从而使大幅度降低产品的成本成为可能；第三，开发周期短，可以实现快速技术更新和产品换代；第四，芯片功耗低。此外，DSP由于目前还没有标准的用于智能分析和处理的算法，基于不同的数据压缩格式实现智能分析处理会对DSP要求有很大不同，所以算法的优化非常关键。

DM6437是TI为多媒体应用而开发的基于C64x内核的高性能定点数字信号处理器，时钟频率600MHz，最高处理能力可达4800MIPS。DM6437具有C6000系列DSP的公共定点指令集，增加了多媒体扩展指令，可以更加方便快速地执行数据处理中的算法。DM6437的这些特点，使其能够兼容正在发展的各种多媒体信号处理标准，构成通用的软件平台，适用于综合数据的采集和传输、处理、多媒体通信应用等高速运算领域，也是实现数据编码的理想硬件平台。

本城市综合管廊监测监控数据分析仪注重利用信息化手段提高综合管廊管理水平，主要围绕综合管廊内视频、温湿度、气体、水电、安防等环境监测监控数据的数据采集、数据存储、数据传输、数据分析、数据处理和数据集成等方面进行电子线路硬件布线布局的创新设计，并设计出适应电路运行特点的精简实用的仪器外观结构。

实用新型内容

为了改进传统的综合管廊监测监控数据处理设备的硬件线路构造，克服在运算性能、灵活性和升级性等方面的技术缺陷，使硬件系统更加稳定，同时也为克服片外数据的传输和程序运行时的瓶颈，本实用新型提供了一种城市综合管廊监测监控数据分析仪。

本实用新型的技术方案：一种城市综合管廊监测监控数据分析仪，包括外壳，所述外壳内设有通过线路连接的数据分析处理DSP芯片DM6437、A/D转换芯片GM7113、数据存储器SDRAM、程序存储器FLASH、系统控制CPLD芯片EPM3128A、网络化传输芯片LXT971A，所述系统控制CPLD芯片EPM3128A与数据分析处理DSP芯片DM6437、A/D转换芯片GM7113、网络化传输芯片LXT971A、数据存储器SDRAM、程序存储器FLASH之间均通过通用可编程的I/O口相连；所述A/D转换芯片GM7113和数据分析处理DSP芯片DM6437通过BT656连接；输入数据经过J5接口的信号线与A/D转换芯片GM7113的模拟输入端AI22直接相连。

优选地，所述外壳包括前面板、上面板、侧面板和底板，所述上面板上设有风扇孔，所述底板上设有视频接口和音频接口，所述前面板上设有USB接口、通用可编程的I/O口和千兆网络接口。

优选地，所述GM7113的数据输出管脚与DM6437视频口VP0中的VP0D管脚相连，时钟同步信号LLC与DM6437视频口VP0的VP0CLK0相连，SCL和SDA作为I2C接口的时钟线和数据线，分别与DM6437的I2C总线接口的时钟和数据线SCL0、SDA0相连，TRST与DM6437的复位信号RESET相连；所述DM6437的各信号线与PHY网络收发器芯片LXT971ALC的对应信号线直接连接。

优选地，线路的模拟地和数字地通过磁珠相连；FLASH通过缓冲芯片与数据和地址总线连接；高速总线上串入小阻值电阻；DM642 的PLL的外部所连接器件全部放在线路板的一个面上。

目前，DSP芯片由于其强大的运算能力和灵活性正得到越来越多的重视，为改进传统的监测监控数据的处理方式，本实用新型采用了一种基于DM6437芯片的数据分析处理线路，对数据处理的硬件线路构造提出了改进，进行了全新的设计和布局。

本实用新型的线路结构由2个板卡连接组成，每个板卡的元器件电路布局设计新颖，连接紧凑，包含了处理器、编码芯片、存储器、运算器、控制器、转换器、通信器、输入输出接口等多种最新的专业集成电路和一些新的功能部件，具有集成度高、编码速率和效率高、通信速率大、节电等多项新特点，还具有自适应码率编码的特点，可以将量化失真减少到最小。

本实用新型以DM6437高性能通用DSP芯片为核心，由数据采集、数据及程序存储、数据处理、数据传输、系统控制以及接收等单元组成，主要硬件有A/D转换芯片GM7113、高速数据采集及处理的DSP芯片DM6437、数据存储器SDRAM、程序存储器FLASH、系统控制单元CPLD芯片EPM3128A、网络化传输芯片LXT971A等。系统的CPLD与DM6437、GM7113、LXT971A、 SDRAM、FLASH之间均使用通用可编程的I/O口相连，进行数据采集控制、数据的重抽样、地址译码、传输控制等，以满足本系统的时序复杂、逻辑控制精确、可靠采集和传输等要求，实现对D1分辨率视频的实时编码，可以保证输出码率低于1Mbps时，具有较高的峰值信噪比。

系统CPU的VLIW结构由多个并行运行的执行单元组成，这些单元在单个周期内可执行多条指令，并行是C6000获得高性能的关键。为改进传统数据处理器的硬件线路，本系统从以前的VelociTI结构扩展到VelociTI.2结构，增加了额外的数据通道，寄存器的数量也增加了一倍，这些扩展使得CPU可以在一个时钟周期内处理更多的数据，从而获得更高的运算性能。

因为DM6437芯片集成了各种片内外设，带有三个可配置的视频端口，提供与数据输入、输出以及码流输入的无缝接口。这些端口支持许多格式的数据输入/输出，包括BT.656、HDTV Y/C、RGB的输入。利用DM6437开发的本实用新型的输入部分只需要一块数据采集芯片即可，本系统采用的是Phillips的GM7113，无需外加逻辑控制电路和FIFO缓存，使硬件系统更为简单和稳定。

附图说明

图1为本实用新型的外壳分解图；

图2为本实用新型的原理示意图；

图3为本实用新型的部分线路连接图；

图中1.上面板，2.底板，3.侧面板，4.前面板，5.风扇孔，6.视频接口，7.音频接口，8.通用可编程的I/O口，9.千兆网络接口，10.USB接口。

具体实施方式

下面结合附图和工作原理对本实用新型作进一步详细的说明，但并不是对本实用新型保护范围的限制。

如图2所示，本实用新型的工作原理：

本数据分析仪主要由以下几大单元组成：数据采集单元、数据及程序存储单元、数据处理单元、数据传输单元、系统控制单元以及接收单元等。其主要硬件组成为：3路CCD摄像头、16路环境数据输入接口、3个数据采集的A/D转换芯片GM7113、高速数据采集及处理的DSP芯片DM6437、数据存储器SDRAM、程序存储器FLASH、系统控制单元CPLD芯片EPM3128A、网络化传输芯片LXT971A、接收机PC以及其他功能单元等。系统工作时，3路模拟视频经图像传感器CCD输入，经过3路A/D转换芯片GM7113转换为数字信号，经过核心芯片DM6437的视频输入口 (VP0-VP2)进入DM6437的FIFO，再传输到DM6437片外的同步动态存储器中，通过DM6437的压缩编码，经以太网口以及物理层收发芯片LXT971A传输到服务器PC机。PC机接收到数据后便进行图像的解码，并在屏幕上显示。本系统选用CPLD芯片EPM3128A进行控制，CPLD与DM6437、GM7113、LXT971A、 SDRAM、FLASH之间均使用通用可编程的I/O口相连，进行数据控制、数据的重抽样、地址译码、数据传输控制等，以满足本系统时序复杂、逻辑控制精确、可靠采集和传输等要求。

本系统的DM6437采用TI的第二代高级超长指令字结构，使得在一个指令周期能够并行处理多条指令，可在600MHz时钟频率下工作，每个指令周期可并行8条32bit指令，因此，可达到4800MIPS的峰值计算速度。DM6437采用两级缓存结构：第一级包括相互独立的LIP（16kB）和LID （16kB），只能作为高速缓存使用；第二级L2（256kB）是一个统一的程序/数据空间，可整体作为SRAM映射到存储空间。DM6437具有丰富的外围设备接口，包括3个可配置的双通道视频端口video port，其中每个video port又分成A和B两个通道。

DM6437作为高性能数字媒体处理分析器，不仅内部具有很高的运行频率600MHz、720MHz和1GHz，而且与外部的SDRAM的总线速度也达到100MHz或133MHz。对于100MHz 以上的信号总线，SDRAM 的时钟线尽量要短，到两个SDRAM 的长度尽量相等，FLASH 等其他外设不要直接与数据和地址总线连接，而应通过缓冲芯片连接。高速总线上要串入小阻值电阻，阻值大小可通过仿真得到，同时对线路更加要求进行阻抗限制。DM6437 内部有PLL，对于PLL外部所接器件要尽可能靠近芯片，而且必须放在线路板的一面上。对于JTAG 的连线长度不能超过6in。

本数据分析仪既有模拟部分又有数字部分，要注意模拟电源和数字电源的设计，尽量减少数字信号对模拟信号的干扰，否则会对采集的数据信号产生噪音等。对视频、数据分析芯片尽量采用单独的电源芯片供电，模拟地和数字地采用磁珠相连。

DM6437采用双电源供电，内核电源采用为1.4V，消耗电流为890 mA，I/O 电源采用3.3 V，消耗电流为210mA。由于内核电源电压低，同时消耗电流较大，如果采用LDO电源，效率较低，消耗功率也大，所以本设计采用两个开关电源芯片TPS54310分别产生3.3 V 和1.4 V 电源，电源效率可达90%以上。DM6437 提供了16 个通用I/O ，通过这些I/O 实现管廊内各种环境模拟量、控制开关量的输入与输出。DM6437 的视频端口VP3 配置为输出直接与LCD 连接。另外，系统中采用DS1338 作为实时时钟，提供实时时间信息。

本实用新型实现主要步骤和手段如下：

（1）数据采集单元。数据采集单元主要由3路视频输入、16路管廊环境数据输入接口、3路视频A/D转换芯片GM7113、视频端口的FIFO、I2C总线、同步动态存储器组成。经摄像头(CCD)输出3路复合视频信号(CVBS)，采用GM7113专用视频解码芯片完成视频信号解码和转换功能。在数字化过程中，由 DM6437的I2C总线进行控制，其输出格式可由I2C初始化其寄存器来设置。进入视频端口的数据通过 CPLD进行数据格式的转换，当内部FIFO缓存器满时，产生中断，DM6437通知EDMA控制器通过EDMA方式将图像数据存储到SDRAM中。

如图3，由于DM6437的视频口VP0分成2个8 bit的通道A、B，所以GM7113和DM6437的连接方式采用最简连线的BT656的方式，即不需要水平、垂直、场同步信号线。输入视频经过J5接口的信号线、上拉电阻以及电容，与GM7113的模拟输入端AI22直接相连；GM7113的数据输出管脚与DM6437视频口VP0中的VP0D管脚相连；时钟同步信号LLC与DM6437视频口VP0的VP0CLK0相连；SCL和SDA作为I2C接口的时钟线和数据线，分别与DM6437的I2C总线接口的时钟和数据线SCL0、SDA0相连；TRST与DM6437的复位信号RESET相连。

（2） 数据存储单元。DM6437芯片内部只集成了256 KB的RAM，因此需要在外部存储器接口(EMIF)上扩展存储空间。DM6437的EMIF为64 bit的数据总线接口，工作的最高频率为133 MHz，分为4个存储空间(CE0-CE3)，每个有256 MB的寻址空间。它在CE0空间提供了64 bit的SDRAM接口总线，分配给外扩的SDRAM使用。系统采用了2片32 bit的HY57V283220T-7 SDRAM芯片，在片外扩展32 MB的动态存储空间。

SDRAM在CE0空间的具体定位为：0X80000000-0X81FFFFFF。输入模拟视频经数字化后进入视频端口的BT656(Y:U:V 4：2：2)数据流，以便于图像的压缩编码。在CPLD控制下实现图像数据的重抽样，之后通过EDMA的方式存储到SDRAM中。

本系统采用4 M×8 bit的AM29LV320D映射到CE1的低地址空间，用来存储程序，实现系统的自启动。它在CE1空间的具体定位为：0X90000000-0X9007FFFF。DM6437的CE1空间被配置成8 bit，以适应自启动要求。4MB的存储空间需要22根地址线来寻址，而DM6437的EMIF口可用地址线只有20条。其中FLASH的最高2根地址线由DM6437的GPIO中的 GPIO1、GPIO2来模拟地址线，从而实现FLASH的页选。系统BOOT LOADING时，先从第一页拷贝1 K的启动代码到DM6437，完成芯片初始化，控制GPIO1、GPIO2口线的组合，完成余下代码的导入。

（3）数据传输单元。3路CCD采集的图像经数字化后同时送入DM6437的视频端口，16路管廊环境数据送入通用接口。本系统DM6437只是对采集的数据进行压缩编码，并实时传输到服务器PC，具体图像识别算法在PC机上进行，这就大大减轻了DM6437的负担，提高了DM6437实时采集、传输的效率。

鉴于高速、大量数据的采集，系统采用DM6437的网络接口实现传输。考虑到以太网传输，数据传输包头、包尾等附加数据，系统最大数据流为3000kb/s=3Mb/s，而选用的网络接口芯片的传输速度为10Mb/s，故可以实现数据的实时处理与传输。

EMAC提供了数据链路层的功能，所以只需要利用一块物理层的网络芯片—以太网PHY收发器LXT971ALC转换信号，DM6437的各信号线与PHY网络收发器芯片 LXT971ALC的对应信号线直接连接，经网络变压器与 Internet相连。

如图1所示，本实用新型的外壳包括前面板4、上面板1、侧面板3和底板2，上面板1上设有风扇孔5，底板2上设有视频接口6和音频接口7，前面板4上设有USB接口10、通用可编程的I/O口8和千兆网络接口9。

为符合和适应本硬件线路的运行特点，需要精简实用的仪器外观结构。本实用新型总体尺寸483×320×68mm，分析仪外形390×300×60mm，整机重量4.12KG。箱体结构采用铝镁合金材质表面喷塑处理，美观轻便，具备良好的散热性能。前面板采用铝镁合金材质拉丝氧化处理面板。具有 2个USB口、8个COM口、16 个通用I/O 、3个视频接口，2个音频接口、1个千兆网口。

Claims (4)

1.一种城市综合管廊监测监控数据分析仪，包括外壳，其特征在于：所述外壳内设有通过线路连接的数据分析处理DSP芯片DM6437、A/D转换芯片GM7113、数据存储器SDRAM、程序存储器FLASH、系统控制CPLD芯片EPM3128A、网络化传输芯片LXT971A，所述系统控制CPLD芯片EPM3128A与数据分析处理DSP芯片DM6437、A/D转换芯片GM7113、网络化传输芯片LXT971A、数据存储器SDRAM、程序存储器FLASH之间均通过通用可编程的I/O口相连；所述A/D转换芯片GM7113和数据分析处理DSP芯片DM6437通过BT656连接；输入数据经过J5接口的信号线与A/D转换芯片GM7113的模拟输入端AI22直接相连。

2.根据权利要求1所述的城市综合管廊监测监控数据分析仪，其特征在于：所述外壳包括前面板、上面板、侧面板和底板，所述上面板上设有风扇孔，所述底板上设有视频接口和音频接口，所述前面板上设有USB接口、通用可编程的I/O口和千兆网络接口。

3.根据权利要求1所述的城市综合管廊监测监控数据分析仪，其特征在于：所述GM7113的数据输出管脚与DM6437视频口VP0中的VP0D管脚相连，时钟同步信号LLC与DM6437视频口VP0的VP0CLK0相连，SCL和SDA作为I2C接口的时钟线和数据线，分别与DM6437的I2C总线接口的时钟和数据线SCL0、SDA0相连，TRST与DM6437的复位信号RESET相连；所述DM6437的各信号线与PHY网络收发器芯片LXT971ALC的对应信号线直接连接。

4.根据权利要求1所述的城市综合管廊监测监控数据分析仪，其特征在于：线路的模拟地和数字地通过磁珠相连；FLASH通过缓冲芯片与数据和地址总线连接；高速总线上串入小阻值电阻；DM642 的PLL的外部所连接器件全部放在线路板的一个面上。