СИНХРОННЫЙ КОММУТАТОР УСТРОЙСТВА МНОГОКАНАЛЬНОГО СИНХРОННОГО СБОРА ДАННЫХ

Полезная модель относится к информационно-измерительной технике и может быть использована в распределенных многоканальных системах синхронного сбора данных от приемных элементов многоканальных гидроакустических антенных решеток, протяженных многоэлементных сейсмических антенн геологоразведки, распределенных датчиков вибрации и контроля напряженности в сложных конструкциях, контрольно-проверочной аппаратуре и т.п., обеспечивающая возможность построения распределенной системы синхронного сбора данных с использованием стандартных сетевых протоколов Ethernet, в которой узлы системы разнесены на расстояние до 160 метров и соединены с предлагаемым синхронным коммутатором только стандартным сетевым кабелем (например «UTP категории 5» состоящим из четырех витых пар проводов).
Кроме того, предлагаемая полезная модель позволяет осуществить построение многоканальной системы сбора, в которой реализуется возможность произвольной коммутации и последовательности передачи пакетов данных по сети Ethernet с обеспечением дальнейшего восстановления синхронности (когерентности) данных от разных приемных элементов на любом этапе их дальнейшей обработки.
Уровень техники
Известно устройство, имеющее две линии синхронизации (патент US 7792139, МПК H04L 12/66), содержащее несколько модулей аналого-цифрового преобразования, последовательно соединенных между собой кабелем типа «витая пара». Каждый модуль аналого-цифрового преобразования состоит из блока аналого-цифрового преобразования, блока цифровой обработки сигнала, контроллера интерфейса, контроллера шины Ethernet, блока восстановления синхронизации PLL из сигналов тактовой частоты, поступающей от отдельной витой пары и блока декодирования сигналов запуска измерения (дискретизации), также поступающего в устройство по отдельной витой паре, однако и в этом случае не решается задача синхронизации пакетов данных передаваемых по сети Ethernet, а при произвольном порядке включения БСД также происходит полная потеря взаимной синхронизации данных передаваемых по сети Ethernet между отдельными БСД.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату по отношению к описываемой полезной модели является устройство (патент РФ №2485582), содержащее блоки сбора данных (БСД), концентратор, накопитель и ПЭВМ, соединенных между собой по топологии типа «звезда» линиями информационного интерфейса.
Блоки сбора данных состоят из узла аналого-цифрового преобразования, выполненного на основе аналоговых фильтров и микросхем АЦП, узла цифровой обработки сигналов, узла управления, выполненных на базе микроконтроллеров и/или микросхем программируемой логики (ПЛИС), узла контроля занятости шины, контроллера шины, выполненного на базе микроконтроллера и/или микросхемы программируемой логики (ПЛИС), узла синхронизации, который может быть выполнен на базе счетчиков и микросхем генераторов с программируемой выходной частотой, памяти заданий, выполненной на основе микросхем флэш-памяти.
Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели и принято за прототип.
Недостаток устройства состоит, в наличии отдельной линии для передачи только простого синхросигнала, который лишь запускает внутренние тактовые генераторы БСД, не обеспечивая наличия других синхросигналов, в частности, сигналов обеспечивающих синхронность моментов выборки (дискретизации) АЦП, расположенных в разных БСД, синхросигнала, соответствующего одновременному моменту начала формирования пакетов данных для передачи по сети Ethernet, и синхронной информации о едином текущем номере пакетов данных, формируемых в разных БСД, обеспечивающей возможность гарантированной дальнейшей взаимной привязки пакетов данных, получаемых от разных БСД в процессе их коммуникаций и совместной, в том числе когерентной обработке. В случае неодновременного момента включения разных БСД или в случае, когда отдельные БСД в процессе работы могут выключаться или включаться в произвольные моменты времени, а при большом количестве БСД это очень вероятно, в прототипе происходит полная потеря взаимной синхронизации. Кроме того, для обеспечения синхронизации помимо кабеля Ethernet требуется введение дополнительной линии (кабеля) синхронизации, что значительно усложняет монтаж и эксплуатацию системы.
Задачей полезной модели является создание устройства многоканального синхронного сбора данных реализующего строгую синхронизацию работы и моментов выборки данных для множества, расположенных в разных БСД аналого-цифровых преобразователей (АЦП), синхронного формирования упорядоченных по времени пакетов отсчетов АЦП с обеспечением единой синхронной нумерации пакетов данных, передаваемых по сети Ethernet, формируемых в разнесенных БСД.
Разработанное устройство обеспечивает организацию жесткой временной синхронизации отсчетов сигналов, передаваемых по сети Ethernet с оконечных устройств, в коммутатор Ethernet вводится устройство многоканального формирования набора последовательностей синхросигналов с широтно-импульсным кодированием, передаваемых по одной витой паре проводников стандартного кабеля Ethernet. Набор последовательностей синхросигналов включает:
основную тактовую частоту (ОТЧ) работы АЦП, в том числе для сигма-дельта
АЦП работающих в режимах передискретизации;
сигнал момента выборки (период дискретизации) АЦП;
сигнал момента начала формирования очередного пакета данных;
сигналов синхронной кодовой информации, в том числе, единой одновременной последовательной нумерации формируемых пакетов данных и иной кодовой информации, которая одновременно включается во все формируемые Ethernet пакеты данных в разных БСД.
Последовательность синхросигналов с широтно-импульсным кодированием передаются оконечным устройствам (узлам, БСД) по одной свободной паре проводов стандартного кабеля, используемого для подключения этих устройств по сети FastEthernet (100BASE-TX). По второй свободной паре стандартного кабеля передается электропитание для оконечных устройств (БСД), в том числе по стандартной Power over Ethernet (PoE) - технологии, позволяющей передавать удаленному устройству электрическую энергию вместе с данными, через стандартную витую пару по сети Ethernet (стандарт IEEE 882.3af).
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении надежности устройства за счет обеспечения жесткой синхронизации произвольно подключаемых устройств и потоков данных по сети.
Важным преимуществом полезной модели является также возможность в произвольном порядке непосредственно в процессе работы подключать (отключать) БСД с сохранением сквозной синхронизации, что также обеспечивает надежность работы устройства.
Разработанное устройство также обеспечивает упрощение и существенное сокращения кабельных коммуникаций, снижение стоимости изготовления, а также обеспечение возможности дальнейших коммуникаций пакетов данных, в том числе их произвольную по времени обработку и сохранение, без дополнительных преобразований и привязки к единому моменту времени.
Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство, характеризующееся наличием блоков сбора данных (БСД), дополнительно включает синхронный коммутатор соединенные между собой стандартными Ethernet кабелями, синхронный коммутатор подключен по стандартной сети Ethernet к необходимым вычислительным средствам обработки и сохранения данных. В состав синхронного коммутатора включен стандартный Ethernet коммутатор, с необходимым числом портов и устройство многоканального формирования набора последовательностей синхросигналов с широтно-импульсным кодированием, а также устройство электропитания, обеспечивающее электропитание всех БСД.
Устройство многоканального формирования набора последовательностей синхросигналов с широтно-импульсным кодированием включает тактовый генератор, подключенный к схеме формирования. Тактовый генератор задает основную частоту тактовых импульсов ОТЧ для обеспечения работы всех АЦП в каждом БСД. Устройство включает счетчик-делитель, предназначенный для выработки импульсов дискретизации АЦП, счетчик-делитель, предназначенный для выработки импульсов, соответствующих моменту начала формирования очередной пачки заданного количества отсчетов АЦП, объединяемых в одном пакете для передачи по сети Ethernet, счетчик текущего номера пакета данных и схемы формирования, предназначенной для формирования объединенной синхронизирующей последовательности широтно-кодированных импульсов (ШКИ). Упомянутые счетчики-делители и счетчик текущего номера пакета данных подключены ко входу схемы формирования, выход схемы формирования подключен к входам преобразователей ШКИ в дифференциальные сигналы для передачи ШКИ через согласующие трансформаторы по свободной витой паре проводов каждого кабеля Ethernet синхронного коммутатора на соответствующие БСД.
Каждый блок сбора данных БСД состоит из АЦП, выполненных на основе аналоговых фильтров и микросхем АЦП, преобразователя электропитания, а также узла цифровой обработки и формирования Ethernet пакетов данных и узла декодирования широтно-кодированных импульсных сигналов синхронизации, выполненных на базе микроконтроллеров и/или микросхем программируемой логики (ПЛИС).
Устройство синхронного сбора данных, как показано на рис. 1, состоит из множества блоков сбора данных (БСД) 1, на которые поступают аналоговые сигналы (данные) от приемных элементов, и синхронного коммутатора 2, соединенных между собой только стандартными Ethernet разъемами и кабелями (например, «UTP категории 5» состоящим из четырех витых пар проводов). Для дальнейшей обработки данных синхронный коммутатор 2 подключается по стандартной сети Ethernet к необходимым вычислительным средствам обработки и сохранения данных.
В состав синхронного коммутатора 2 помимо стандартного Ethernet коммутатора 3, с необходимым числом портов (не менее числа подключаемых БСД и портов для выдачи данных в вычислительные средства для дальнейшей обработки и регистрации), вводится устройство многоканального формирования набора последовательностей синхросигналов с широтно-кодироваными импульсами 4, а также устройство электропитания 5, обеспечивающее электропитание всех БСД (1), подключаемых к системе.
Устройство многоканального формирования набора последовательностей синхросигналов с широтно-импульсным кодированием 4, в свою очередь, как показано на рис.2, состоит из тактового генератора 7, подключенного к схеме формирования 11 и задающего основную частоту тактовых импульсов для обеспечения работы всех аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 6, счетчика-делителя 8, предназначенного для выработки импульсов дискретизации АЦП, соответствующих необходимому моменту начала очередного цикла измерения (получения очередного отсчета АЦП), счетчика-делителя 9, предназначенного для выработки импульсов соответствующих моменту начала формирования очередной пачки заданного количества отсчетов АЦП, объединяемых в одном пакете для передачи по сети Ethernet, счетчика текущего номера пакета данных 10. Схема формирования 11 предназначена для формирования объединенной синхронизирующей последовательности широтно-кодированных импульсов (ШКИ).
Счетчик-делитель 8, счетчик-делитель 9 и счетчик текущего номера пакета данных 10 подключены ко входам схемы формирования 11, выход схемы формирования 11 подключен к входам преобразователей ШКИ в дифференциальные сигналы 12 для передачи ШКИ через согласующие трансформаторы 13 по свободной витой паре проводов каждого кабеля Ethernet синхронного коммутатора 2 на соответствующие БСД 1.
Каждый блок сбора данных БСД 1 (Рис. 1) состоит из АЦП 6, выполненных на основе аналоговых фильтров и микросхем АЦП, преобразователя электропитания 14, а также устройства цифровой обработки и формирования Ethernet пакетов данных 15 и устройства декодирования широтно-кодированных импульсных сигналов синхронизации 16, выполненных на базе микроконтроллеров и/или микросхем программируемой логики (ПЛИС).
Устройство декодирования широтно-кодированных импульсных (ШКИ) сигналов синхронизации 16 выделяет из ШКИ сигнал тактовой синхронизации АЦП, поступающий на все АЦП 6, а также выделяет из ШКИ информацию о моменте начала формирования очередного пакета данных и код его текущего номера, и передает их устройству цифровой обработки и формирования Ethernet пакетов данных 15, на вход которого также поступают данные от АЦП 6. Преобразователь электропитания 14 соединен со всеми устройствами входящими в БСД (1) и обеспечивает преобразование напряжения питания поступающего от устройства электропитания 5, входящего в состав синхронного коммутатора 2, в номенклатуру напряжений необходимую для работы устройств.
Устройство синхронного сбора данных работает следующим образом.
После подачи внешнего электропитания на устройство электропитания 5 синхронного коммутатора 2, формирует необходимый набор напряжений питания для работы его устройств 3 и 5, а также через кабель Ethernet подает электропитание на источники питания 14 каждого из БСД 1 которые, в свою очередь, формируют необходимый набор напряжений питания для работы всех устройств, входящих в БСД (6, 15, 16). Тактовый генератор 7 устройства формирования набора последовательностей синхросигналов с широтно-импульсным кодированием 4, формирует основную частоту тактовых импульсов со скважностью 4, которые подаются на формирователь 11 и последовательно включенные: счетчик-делитель 8, который вырабатывает импульсы соответствующих необходимому моменту начала очередного цикла измерения АЦП, счетчик-делитель 9 который вырабатывает импульсы соответствующих моменту начала формирования очередного пакета заданного количества отсчетов АЦП, объединяемых в одном пакете для передачи по сети Ethernet, и счетчика текущего номера пакета данных 10, формирующего код номера пакета. Импульсы двойной длительности, по сравнению с импульсами тактового генератора 7, формируемые счетчиками-делителями 8 и 9 поступают в формирователь 11, где объединяются с тактовыми импульсами генератора 7. Импульсы начала формирования очередного пакета данных, формируемые счетчиком-делителем 9, используются как стартовые при формировании очередного номера пакета данных. Код текущего номера из счетчика 10 поступают в формирователь И, где преобразуются в кодовую последовательность импульсов с длительностями обозначения единичных битов (сигнал «1») равной двойной длительности, по сравнению с импульсами тактового генератора 7 и длительностями обозначения нулевых битов (сигнал «0»), соответствующих длительности импульсов тактового генератора 7.
Временные диаграммы, формируемые устройством формирования сигналов 4 показаны на рис. 3.
На Диаграмме I (рис. 3) укрупнено показана общая синхропоследовательность ШКИ. В составе синхропоследовательности используются два вида импульсов: со скважностью, равной четырем и со скважностью равной двум. Импульсы со скважностью 4 используются как импульсы с рабочей частотой АЦП и как обозначения нулевых битов при считывании информационной посылки. Импульсы со скважностью 2 используются как маркеры начала измерений (показан на Диаграмме 2), начала пакета данных и информационной последовательности (показан на диаграмме 3) и как обозначения единичных битов (сигнал «1» показан на диаграмме 3) при считывании кодовой информации о текущем номере пакета данных.
Информационная последовательность начинается с импульса со скважностью 2 и может быть двух видов. Если за импульсом со скважностью 2 следуют импульсы со скважностью 4 (диаграмма II), то данная последовательность должна восприниматься только как команда начала очередного цикла измерения (сигнал начала выборки или дискретизации АЦП). Если за импульсом со скважностью 2 следует еще два импульса со скважностью 2 (диаграмма III), то такая последовательность импульсов должна восприниматься еще и как начало очередного пакета отсчетов формируемая для сети Ethernet. Вслед за тремя импульсами со скважностью 2 следуют последовательность импульсов «1» и «0», соответствующих, например, 16-ти разрядному коду текущего номера пакета для сети Ethernet.
Сформированный сигнал через преобразователи 12 и трансформаторы 13 подается на все подключенные БСД 1. Устройство декодирования широтно-кодированных импульсных (ШКИ) сигналов синхронизации 16 выделяет из ШКИ сигнал тактовой синхронизации АЦП, поступающий на все АЦП 6, а также выделяет из ШКИ информацию о моменте начала формирования очередного пакета данных и код его текущего номера, и передает их устройству цифровой обработки и формирования Ethernet пакетов данных 15, на вход которого также поступают данные от АЦП 6.
Основной тактовый сигнал используется как синхросигнал для работы сигма-дельта (последовательного) АЦП, установленных в БСД 1. Импульсы запуска преобразования используются для начала формирования очередного отсчета в сигма-дельта АЦП и как тактовый сигнал для параллельных АЦП. Данные вырабатываемые в АЦП 6 Импульсы номера пакета используются как стартовые при формировании очередного пакета данных для передачи по сети Ethernet. Данные вырабатываемые в АЦП 6 и код текущего номера пакета включается в состав UDP/IP-пакетов в устройстве цифровой обработки и формирования Ethernet пакетов данных 15. Сформирования Ethernet пакеты данных од всех БСД поступают на коммутатор 3 синхронного коммутатора 2 откуда передаются к внешним вычислительным средствам для дальнейшей обработки и регистрации.
Предлагаемая архитектура устройства сбора данных позволяет осуществлять подключение, отключение и замену оконечных модулей без дополнительного реконфигурирования системы в целом. При выходе из строя одного или нескольких оконечных устройств исправные устройства продолжают передачу оцифрованных сигналов. Введение устройства синхронизации с ШКИ, позволяет осуществлять жесткую групповую фазовую и пакетную синхронизацию в многоканальной распределенной системе сбора данных с использованием только стандартных кабелей, предназначенных для передачи данных по сети Ethernet. Использование стандартных кабелей, принципов формирования дифференциальных сигналов ШКИ идентичных сигналам, предназначенным для передачи данных по сети Ethernet, позволяет обеспечить возможность разнесения отдельных БСД 1 на расстояние более 100 метров от синхронного коммутатора 2.