CN204989885U - 一种机房巡检机器人数据采集处理系统及数据处理芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种机房巡检机器人数据采集处理系统及数据处理芯片，该系统用于集成对电力系统中的信息通信机房内的巡检机器人进行数据采集及处理；该处理芯片为FPGA芯片且安装在所述巡检机器人内部，且集成设有控制单元及两组相同的处理模块；处理模块分别与可见光数字摄像仪及红外成像仪连接。本实用新型提出的数据采集处理系统及数据处理芯片，提高了系统的稳定性，使得机房巡检机器人数据系统可以挂接更多的接口和传感器，实现更多功能，且具有性能好、集成度高、功耗低的优势；省去了轨道架设施工成本；其具有更大的灵活性、方便性、经济性。

Description

一种机房巡检机器人数据采集处理系统及数据处理芯片

技术领域

本实用新型涉及电力智能巡检机器人信息通信技术领域，具体涉及一种机房巡检机器人数据采集处理系统及数据处理芯片。

背景技术

在国家电网公司内部，虽然机器人技术在电力系统内已经开展一定应用，但是由于此类机器人是为了满足大型户外变电站巡检工作而设计的，要综合实现大量复杂功能，因此造价较高。而在电力信息通信系统内，无人值守的信息通信机房越来越多，对于那些特别重要的信息通信机房、电池室(UPS蓄电池)等也多为无人值守站点，传统的温湿度传感器、电源系统告警上传等无人值守技术已经很难满足重要信息通信机房的运维工作的要求。

由于电力信息通信机房室内环境良好，设备环境可识别度高，可以通过数据处理技术的机器人对电力信息通信机房设备区巡检，机器人所搭载的数据系统采集可见和红外图像传输到后台服务器进行分析，这些信息包括设备外观、温度、湿度、痕迹、清洁、异响、异味、UPS状态灯的异常；交换机的数据指示灯状况、网络通讯状况；刀片机箱的温度报警灯状况、系统信息灯状况、系统错误灯状况；刀片机、机架小机和磁带库的电源指示灯状况、系统信息灯状况、控制面板信息状况；防火墙的网络通讯状况等。智能巡检机器人可通过任务参数的设置，定时定点进行巡视，并配备了夜间照明设备，方便夜间巡检。这样用较低的成本极大的提升机房运维水平，防范机房内潜在的安全隐患。但发达地区信息通信专业运维人工成本高且无法满足电力通信信息人员少、站点多的现状。

因此，如何设计一种能以较低的成本实现机器人巡检的系统，是本领域的技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供的一种机房巡检机器人数据采集处理系统及数据处理芯片，该数据采集处理系统及数据处理芯片提高了系统的稳定性，使得机房巡检机器人数据系统可以挂接更多的接口和传感器，实现更多功能，且具有性能好、集成度高、功耗低的优势；省去了轨道架设施工成本；其具有更大的灵活性、方便性、经济性。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种机房巡检机器人数据采集处理系统，所述系统用于对电力系统中的信息通信机房内的巡检机器人进行数据采集及处理，所述系统包括无线网桥终端、工业以太网交换机及数据处理器；

每个所述无线网桥终端均连接至所述工业以太网交换机；

所述数据处理器与所述工业以太网交换机连接；

所述无线网桥终端用无线通信终端与所述巡检机器人连接。

优选的，各个所述无线网桥终端以多网桥组网的方式，分别安装在所述信息通信机房内的房顶的各处。

优选的，所述无线通信终端设置在所述巡检机器人的外壁上，且所述巡检机器人内部安装有FPGA芯片。

优选的，所述巡检机器人的外壁上还设有可见光数字摄像仪及红外成像仪。

一种机房巡检机器人的数据处理芯片，所述数据处理芯片为FPGA芯片且安装在所述巡检机器人内部；所述芯片上设有控制单元及两组相同的处理模块；

两组所述处理模块的输入端分别与位于所述芯片外部的两个检测单元连接；所述检测单元包括可见光数字摄像仪及红外成像仪连接；

两组所述处理模块均用总线连接至所述控制单元的输入端，所述控制单元的输出端与无线通信终端连接。

优选的，所述处理模块包括依次连接的图像输入控制器、图像数据FIFO缓存器、MPMC帧读写器及1M字节内部RAM存储器；所述MPMC帧读写器用PLBv4.6总线与所述控制单元的输入端连接。

优选的，所述图像输入控制单元的输入侧通过SCCB接口的SIO_C和SIO_D信号总线连接至所述检测单元，所述图像输入控制单元的输出侧连接至所述图像数据FIFO终端；

所述图像数据FIFO缓存器的连接至所述MPMC帧读写器；

所述MPMC帧读写器的接口包括NPI和PLB两种接口；所述NPI接口将一个端口连接至所述图像数据FIFO缓存器，并将另一端口的地址线、数据线和控制信号线连接至所述1M字节内部RAM存储器；所述PLB接口挂接在所述PLBv4.6总线上，并与MicroBlaze处理器相连；

所述1M字节内部RAM存储器与所述地址线、数据线和控制信号线连接。

优选的，所述控制单元包括分别连接至所述PLBv4.6总线上的DDR控制器、以太网控制器、SPI控制器、I2C控制器、UART控制器、GPIO控制器、时钟控制器及USB控制器；每个所述控制器均连接至所述无线通信终端。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型提供了一种机房巡检机器人数据采集处理系统及数据处理芯片，该系统用于集成对电力系统中的信息通信机房内的巡检机器人进行数据采集及处理；该处理芯片为FPGA芯片且安装在所述巡检机器人内部，且集成设有控制单元及两组相同的处理连接方式；其分别与可见光数字摄像仪及红外成像仪连接。本实用新型提出的非结构化数据采集处理系统及数据处理芯片提高了系统的稳定性，使得机房巡检机器人数据系统可以挂接更多的接口和传感器，实现更多功能，且具有性能好、集成度高、功耗低的优势；省去了轨道架设施工成本；其具有更大的灵活性、方便性、经济性。

与最接近的现有技术比，本实用新型提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本实用新型所提供的技术方案中，本实用新型所实现的巡检机器人数据采集处理电路将图像数据FIFO缓存器在FPGA的内部实现,采用与图像输入控制器同样的时钟接收送来的数字视频流，实现数据流暂时缓存，这样可以不考虑时钟同步问题，从而避免了现有技术中专用FIFO芯片带来的诸多不便，提高了系统的稳定性。

2、本实用新型所提供的技术方案，本实用新型采用MPMC帧读写器设计，图像数据流从图像FIFO缓存器直接写入FPGA内部RAM，不需通过PLB内部总线而完成，这样大大提高了图像数据的存储效率，也释放了PLB总线的带宽，使得机房巡检机器人数据系统可以挂接更多的接口和传感器，实现更多功能。

3、本实用新型所提供的技术方案，本实用新型充分利用FPGA的片内BlockRAM资源，设计了两个分别为1MByte的挂接在FPGA内部PLBv46总线上的内部RAM，此方案比传统的外扩SDRAM专用芯片方案具有性能好、集成度高、功耗低，系统的可靠性得到很大提高。

4、本实用新型所提供的技术方案，本实用新型将可见光数字成像仪数据流采集处理电路和红外成像仪数据流采集处理电路，2路数据流采集处理电路集成在单片FPGA芯片内，与现有分离芯片方案系统相比较，设计紧凑、集成度高、功耗低，提高了系统的可靠性。

5、本实用新型所提供的技术方案，本实用新型所述数据传输网络系统，实现无线、无缝、漫游网络功能，比现有的机器人轨道巡检方案省去了轨道架设施工成本；比现有的有线传输方案具有更大的灵活性、方便性、经济性。

6、本实用新型提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本实用新型的一种巡检机器人的数据传输系统的结构示意图；

图2是本实用新型的一种巡检机器人的数据处理芯片的结构示意图。

其中，1-无线网桥终端、2-工业以太网交换机、3-数据处理器、4-无线通信终端、5巡检机器人、6-光数字摄像仪、7-红外成像仪、8-数据处理芯片、9-控制单元、901-DDR控制器、902-以太网控制器、903-SPI控制器、904-I2C控制器、905-UART控制器、906-GPIO控制器、907-时钟控制器、908-USB控制器、10-PLBv4.6总线、11-图像输入控制器、12-图像数据FIFO缓存器、13-MPMC帧读写器、14-1M字节内部RAM存储器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供一种巡检机器人5的非结构化数据采集处理系统，系统用于对电力系统中的信息通信机房内的巡检机器人5进行数据采集及处理，系统包括无线网桥终端1、工业以太网交换机2及数据处理器3；

每个无线网桥终端1均连接至工业以太网交换机2；

数据处理器3与工业以太网交换机2连接；

无线网桥终端1用无线通信终端4与巡检机器人5连接。

各个无线网桥终端1以多网桥组网的方式，分别安装在信息通信机房内的房顶的各处。

无线通信终端4设置在巡检机器人5的外壁上，且巡检机器人5内部安装有FPGA芯片。

其中，巡检机器人5的外壁上还设有可见光数字摄像仪6及红外成像仪7。

如图2所示，一种巡检机器人5的数据处理芯片8，其特征在于，数据处理芯片8为FPGA芯片且安装在巡检机器人5内部；芯片上设有控制单元9及两组相同的处理电路；

两组处理电路的输入端分别与位于芯片外部的两个成像单元连接；成像单元包括可见光数字摄像仪6及红外成像仪7连接；

两组处理模块均用总线连接至控制单元9的输入端，控制单元9的输出端与无线通信终端4连接。

其中，处理模块包括依次连接的图像输入控制器11、图像数据FIFO缓存器12、MPMC帧读写器13及1M字节内部RAM存储器14；MPMC帧读写器13用PLBv4.6总线10与控制单元9的输入端连接。

其中，图像输入控制单元9的输入侧通过SCCB接口的SIO_C和SIO_D信号总线连接至成像单元，图像输入控制单元9的输出侧连接至图像数据FIFO终端12；

图像数据FIFO终端12的连接至MPMC帧读写器13；

MPMC帧读写器13的接口包括NPI和PLB两种接口；NPI接口将一个端口连接至图像数据FIFO缓存器12，并将另一端口的地址线、数据线和控制信号线连接至1M字节内部RAM存储器14；PLB接口挂接在PLBv4.6总线10上，并与MicroBlaze处理器相连；

1M字节内部RAM终端14与地址线、数据线和控制信号线连接。

其中，控制单元9包括分别连接至PLBv4.6总线10上的DDR控制器901、以太网控制器902、SPI控制器903、I2C控制器904、UART控制器905、GPIO控制器906、时钟控制器907及USB控制器908；每个控制器均连接至无线通信终端4。

本实用新型提供一种巡检机器人5的非结构化数据采集处理系统及数据处理芯片8的应用例；其包括：

系统的数据传输网络实施采用工业以太网交换机2连接方式的多网桥组网AP无线无缝漫游通信方式。在此实施中，多个无线网桥都通过超五类双绞线接入工业以太网交换机2，所有的无线网桥设置为AP模式，其“网络参数”设置各AP管理地址为不同，为了避免IP地址冲突,使用192.168.1.2/24～192.168.1.49/24段；“基本设置”中将它们的SSID、认证和加密模式设置相同；设置相邻摆放的AP设置不同的频段，且相距5个频段以上，避免相互间干扰，使用1，6，11频段；AP通过有线接入局域网，关闭DHCP功能，在交换机的上层另外设置一台DHCP服务器，解决巡视机器人在切换AP时，不同的网桥各自启用了DHCP，可能造成IP冲突和影响切换的速度的问题。在电力信息通信机房区中用2.4G来做无线网络覆盖。

巡视机器人上安装的网桥设置为客户端模式，巡视机器人在机房中漫游过程中其IP地址始终保持不变，这样，它们共同构成一个无线无缝漫游网络，机房巡视机器人的数据可以高速有效的传输到数据处理服务器进行数据处理。

实用新型的机器人数据采集处理电路实施采用XilinxVirtex7XC7VX1140T的FPGA。FPGA与可见光数字摄像仪6连接，由于采用数字化的摄像仪，其已经集成了ADI公司的10位高性能ADV7180，具有三路模拟视频通道，支持多种制式视频信号输入，输出标准ITU6564:2:2格式数字视频信号。可见光数字摄像仪6还提供行、场同步信号和27MHz像素时钟信号，省掉了时钟同步电路的设计，为系统设计带来了方便。内置的I2C接口与图像输入控制单元9接口，提供了对芯片内部电路的控制功能，实现对输入视频信号的对比度和亮度的控制、输出数据格式的选择控制等预处理。

图像输入控制器9接口采用SCCB接口(一种简化的I2C接口，I2C协议对其兼容)，其总线也可以采用I2C的SCL和SDA两线实现，本单元设计直接采用I2C软核，挂接在PLBv4.6总线10上，由MicroBlaze软件编程对其控制。

图像数据FIFO缓存器实施采用Virtex7XC7VX1140T的内部BRAM单元构成，BRAM中内建了FIFO，不需要额外的CLB资源。采用8位数据输入端口和8位数据输入端口，深度为1024个的内部BRAM实现，输入端口由写时钟(wdk)和写使能(wrreq)控制，输入端口由读时钟(rddk)和读使能(rdreq)控制，读写时钟在上升沿触发，读写使能信号高电平有效。设计3个固定的标识：rempty(FIFO空标志)、wrfull(FIFO满标志)和wrusedw[9..0],将wrusedw[9..0]中最高位取出来作为FIFO满标志。

图像数据FIFO缓存器缓冲来自图像输入控制单元9的数字视频数据流，需要进行接口，除了将图像输入控制单元9的数字视频输入总线VPO与FIFO输入数据总线相连外，图像输入控制单元9还要为图像数据FIFO单元提供写使能信号wrreq和写时钟信号wdk。

可见光数字摄像仪6在每个LLC的上升沿将数字视频数据打入VPO总线，LLC作为FIFO的写时钟信号welk。图像输入控制单元9连接的可见光数字摄像仪6没有输入专门的写使能信号连接到图像数据FIFO单元的写使能输入wrreq，wrreq由I2C接口配置，使RSTO和RSTI输入行参考信号HREF和场参考信号VREF，用VREF和HREF的逻辑与(wrreq＝VREF&HREF)关系作为异步FIFO的写使能信号wrreq，按照此实施方法，图像数据FIFO单元的最大频率可以达到164.37MHz，表明其可以应用在高速的视频采集处理系统中。

设计时对可见光数字摄像仪6与图像数据FIFO缓存器接口进行了功能仿真，功能仿真波形图中输入的时序激励与实际的可见光数字摄像仪6输出的时序相一致，说明该实施方案的正确性。

所选XilinxVirtex7XC7VX1140TFPGA内部集成了67,680Kbit的内部高速RAM，系统实施时设计成两个独立的1MByte内部RAM使用，地址分别为0x00400000～0x0004FFFFF和0x00500000～0x0005FFFFF)。配置两个4字节的奇帧偏移量计数器和偶帧偏移量计数器，地址分别是0x003FFFFC和0x000600000，用于存储奇偶帧的存放长度，单位为字节。

MPMC帧读写器实施采用Virtex7XC7VX1140T内部的MPMC(多端口内存控制)设计，MPMC有8个相互独立的端口，可以随时通过任意一个端口来访问内存，选择其中的两个接口分别设计成NPI和PLB接口，由于NPI接口适用于任何协议，一个端口利用NPI扩展MPMC的接口形式将一个端口通过FIFO连接图像数据FIFO单元，NPI接口包括地址、数据和控制信号，数据位宽设计为64位，NPI运行时钟频率与MPMC_clk01时钟频率一致；另一端口挂接在内部PLBv4.6总线10上，提供地址线、数据线和控制信号线连接到划分出的独立1M字节的内部RAM，与MicroBlaze处理器和其它外设相连，由IXCL和DXCL线进行总线控制。

NPI接口接收到图像数据FIFO缓存器传来的图像数据，当图像传感器的VS上升沿时，如果RTS0为低电平，产生Pin高电平，定义为奇数帧到来，MPMC将数据存入内部RAM的0x00400000处，并启动奇帧偏移量计数器；当RTS0为高电平，产生PinEven高电平，定义为偶数帧到来，MPMC将数据存入内部RAM的0x00500000处，并启动偶帧偏移量计数器，当再次奇数帧到来时产生一个帧满Int信号送我MicroBlaze的INT产生中断，请求以太网帧发送处理。

LMB总线切换单元设计，由于图像数据经图像数据FIFO缓存器和MPMC帧读写器直接写入FPGA内部的RAM，MicorBlaze要通过PLBv46总线访问内部RAM，采用本地存储控制总线LMB(用来高速连接片内的BLOCKRAM的同步总线)最为方便，LMB总线的读写时序和BLOCKRAM的读写时序是一样的，且所有的LMB信号是高电平有效。又由于本实用新型可见光和红外是分别独立的2路通道同时工作，为了避免冲突，因此设计了一个LMB总线切换单元，图2中用标记“S”单元表示。

当MicroBlaze的INT接收到可见光数据传输帧满中断请求信号时，LMB总线切换到可见光数据通道的内部RAM；当MicroBlaze的INT接收到红外数据传输帧满中断请求信号时，LMB总线切换到红外数据通道的内部RAM，之后，MicorBlaze通过PLBv46总线启动以太网控制器902IP(IPCore)，采用以太网控制器902的DMA方式将奇偶帧RAM中偏移量计数器长度的帧数据按以太网帧发送到数据传输无线网络中去，之后，通过PLB总线清除相应通道的奇偶帧偏移量计数器地址的数据(写0)。

另一路红外成像仪7电路实施，由于红外成像传感器能对1150nm以下光谱反应，经滤光片去除80nm以下光谱后,得到红外视频模拟信号，成像仪数字部分选用仍然集成了ADI公司的10位高性能ADV7180图像解码芯片进行解码，其数据流同以上可见数字摄像仪，只是FPGA内的MicroBlaze的INTx(1,2)分别接收到数据传输帧满中断请求信号时，要控制LMB总线切换单元进行相应通道的切换。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机房巡检机器人数据采集处理系统，所述系统用于对电力系统中的信息通信机房内的巡检机器人进行数据采集及处理，其特征在于，

所述系统包括无线网桥终端、工业以太网交换机及数据处理器；

每个所述无线网桥终端均连接至所述工业以太网交换机；

所述数据处理器与所述工业以太网交换机连接；

所述无线网桥终端用无线通信终端与所述巡检机器人连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，各个所述无线网桥终端以多网桥组网的方式，分别安装在所述信息通信机房内的房顶的各处。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线通信终端设置在所述巡检机器人的外壁上，且所述巡检机器人内部安装有FPGA芯片。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述巡检机器人的外壁上还设有可见光数字摄像仪及红外成像仪。

5.一种机房巡检机器人的数据处理芯片，其特征在于，所述数据处理芯片为FPGA芯片且安装在所述巡检机器人内部；所述芯片上设有控制单元及两组相同的处理模块；

两组所述处理模块的输入端分别与位于所述芯片外部的两个检测单元连接；所述检测单元包括可见光数字摄像仪及红外成像仪连接；

两组所述处理模块均用总线连接至所述控制单元的输入端，所述控制单元的输出端与无线通信终端连接。

6.如权利要求5所述的芯片，其特征在于，所述处理模块包括依次连接的图像输入控制器、图像数据FIFO缓存器、MPMC帧读写器及1M字节内部RAM存储器；所述MPMC帧读写器用PLBv4.6总线与所述控制单元的输入端连接。

7.如权利要求6所述的芯片，其特征在于，

所述图像输入控制单元的输入侧通过SCCB接口的SIO_C和SIO_D信号总线连接至所述检测单元，所述图像输入控制单元的输出侧连接至所述图像数据FIFO终端；

所述图像数据FIFO缓存器的连接至所述MPMC帧读写器；

所述MPMC帧读写器的接口包括NPI和PLB两种接口；所述NPI接口将一个端口连接至所述图像数据FIFO缓存器，并将另一端口的地址线、数据线和控制信号线连接至所述1M字节内部RAM存储器；所述PLB接口挂接在所述PLBv4.6总线上，并与MicroBlaze处理器相连；

所述1M字节内部RAM存储器与所述地址线、数据线和控制信号线连接。

8.如权利要求7所述的芯片，其特征在于，所述控制单元包括分别连接至所述PLBv4.6总线上的DDR控制器、以太网控制器、SPI控制器、I2C控制器、UART控制器、GPIO控制器、时钟控制器及USB控制器；每个所述控制器均连接至所述无线通信终端。