СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ
DATA COLLECTION SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в распределенных системах сбора данных, вырабатываемых контролируемыми объектами, в частности в системах бортовых измерений, АСУ ТП, контрольно-проверочной аппаратуре и т.п.
Известно устройство (патент US №7896807, МПК A61B 5/00), содержащее входные цепи преобразователей, цифровой мультиплексор, локальный PLL-генератор, цепи управления программированием и сетевым интерфейсом, а также сетевой интерфейс.
Недостатком данного устройства является мультиплексирование входных аналоговых каналов, что не позволяет одновременно опрашивать каналы и может привести к потере информации об измеряемом параметре. Также данное устройство не имеет механизма временной синхронизации сбора данных от внешних источников и между другими аналогичными системами.
Известно устройство (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, блока декодирования запуска измерения. Данное устройство наиболее близко по сути к предлагаемому изобретению и принято за прототип.
Недостатком данного устройства является низкая надежность, так как при обрыве одного звена цепи линии Ethernet часть модулей окажется исключенной из системы сбора информации. Наличие внутреннего коммутатора Ethernet также существенно увеличивает сложность и стоимость устройства.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности устройства, его упрощение и снижение стоимости изготовления, а также повышение достоверности измерения, более эффективное использование полосы пропускания каналов передачи данных и расширение функциональных возможностей.
На фиг.1 представлена схема системы сбора данных.
Система состоит из нескольких блоков сбора 1, концентратора 2, накопителя 3 и ПЭВМ 4, соединенных между собой по топологии типа «звезда» линиями информационного интерфейса (например, Ethernet, RS-422/485 и т.д.).
Блоки сбора 1 предназначены для сбора данных от объекта контроля, их обработки, промежуточного хранения и последующей передачи данных. Каждый блок сбора 1 состоит из источника питания 5, выполненного на основе микромодулей и/или микросхем вторичных преобразователей напряжения, одного или более модулей сбора данных 6 и модуля согласования 7, выполненного на основе компонентов физического сопряжения с интерфейсными линиями связи (специализированных микросхем, трансформаторов и т.п.).
Каждый модуль сбора данных 6 состоит из узла аналого-цифрового преобразования 8, выполненного на основе аналоговых фильтров и микросхем АЦП, узла цифровой обработки сигналов 9, узла управления 10, выполненных на базе микроконтроллеров и/или микросхем программируемой логики (ПЛИС), узла контроля занятости шины 11, который может быть выполнен на базе полевого (биполярного) транзистора, включенного по схеме с открытым стоком (коллектором), контроллера шины 12, выполненного на базе микроконтроллера и/или микросхемы программируемой логики (ПЛИС), узла синхронизации 13, который может быть выполнен на базе счетчиков и микросхем генераторов с программируемой выходной частотой (PLL), памяти заданий 14, выполненной на основе микросхем флэш-памяти.
Накопитель 3 используется для записи и длительного хранения полученных и обработанных в процессе сбора данных и может быть выполнен на основе энергонезависимой памяти (жесткие диски, флэш-накопители и т.п.) и контроллера чтения-записи (на базе микропроцессоров, микроконтроллеров, ПЛИС и т.п.).
ПЭВМ 4 используется для начального конфигурирования системы (создания заданий и управления процессом их записи в память заданий 14), отображения результатов сбора и обработки данных (принимаемых от блоков сбора 1 в режиме реального времени или предварительно сохраненных в накопителе 3) и их анализа, для чего в ней имеется установленное специальное программно-математическое обеспечение (СПМО).
С целью расширения функциональных возможностей системы в памяти заданий 14 может храниться несколько (не менее двух) различных заданий на сбор данных, одно из которых выбирается узлом цифровой обработки сигналов 9 и узлом управления 10 в процессе работы в зависимости от состояния дополнительных внешних сигналов выбора задания. Каждое задание содержит сведения, определяющие работу данного модуля (номенклатуру собираемых модулем данных, частоту считывания каждого из них, настройки цифровых фильтров, структуру формируемых модулем информационных пакетов и т.д.). Возможность хранения в памяти заданий 14 не менее двух различных заданий и возможность смены текущего задания по сигналам выбора задания позволяет гибко перестраивать режимы функционирования системы непосредственно в процессе работы, без прекращения сбора данных, дополнительных работ по перепрограммированию и т.п.
Временная синхронизация всех собираемых системой данных осуществляется с помощью единого системного синхросигнала, подаваемого одновременно на входы узлов синхронизации 13 всех модулей сбора данных 6 в системе.
С целью расширения функциональных возможностей в систему может быть введен дополнительный синхронизирующий модуль 15, имеющий вход питания, вход внешнего синхросигнала, вход сигнала запуска измерения и выход системного синхросигнала, соединенный со входами узлов синхронизации 13 всех модулей сбора данных 6 в системе. При отсутствии внешнего синхросигнала синхронизирующий модуль 15 по сигналу запуска измерения самостоятельно формирует системный синхросигнал на своем выходе, для чего в нем имеется генератор импульсов, который может быть выполнен, например, на базе кварцевого генератора. При наличии внешнего синхросигнала синхронизирующий модуль 15 по сигналу запуска измерения коммутирует внешний синхросигнал на выход системного синхросигнала. Наличие в системе синхронизирующего модуля 15 обеспечивает сбор данных при отсутствии внешнего синхросигнала (при автономной работе системы сбора).
Система сбора данных работает следующим образом.
После подачи внешнего питания источники питания 5 каждого из блоков сбора 1 формируют необходимый набор напряжений питания для работы модулей сбора данных 6 и модулей согласования 7. До появления первого импульса системного синхросигнала из синхронизирующего модуля 15 модули сбора данных 6 находятся в режиме ожидания. Оператор с помощью ПЭВМ 4 и установленного в ней СПМО при необходимости может записать задания (с заменой ранее записанных) в память заданий 14 любого из модулей сбора данных 6. Запись в память заданий 14 осуществляется из ПЭВМ по интерфейсным линиям связи через концентратор 2, модуль согласования 7, контроллер шины 12, узел управления 10.
По приходе системного синхросигнала узел синхронизации 13 каждого модуля сбора данных 6 начинает формирование набора частот, тактирующих узел цифровой обработки сигналов 9 и узел управления 10. Единый системный синхросигнал обеспечивает временную синхронизацию всех модулей сбора данных 6 в системе, создавая единую шкалу относительного времени.
Сигналы от объекта контроля в аналоговом виде поступают на входы узлов аналого-цифрового преобразования 8, где предварительно фильтруются аналоговым фильтром с целью подавления высокочастотных помех. По сигналам от узла цифровой обработки сигналов 9 микросхемы АЦП преобразуют аналоговые сигналы в двоичный цифровой код, который поступает на входы узла цифровой обработки сигналов 9. Узел цифровой обработки сигналов 9 осуществляет цифровую фильтрацию данных с параметрами фильтрации, получаемыми из памяти заданий 14 (порядок цифрового фильтра, частота среза и т.п.), с целью ограничения частотной полосы входного сигнала и снижения уровня помех, влияющих на результаты измерений.
Узел управления 10 осуществляет выборку из потока данных, выдаваемых узлом цифровой обработки сигналов 9, и упаковку выбранных данных в информационные пакеты в соответствии с заданием, запрограммированным в памяти заданий 14. Помимо собственно данных каждый информационный пакет включает в себя порядковый номер цикла опроса и текущее значение времени, соответствующее считанным значениям данных. Это необходимо для приведения данных, собранных всеми модулями сбора данных 6, имеющимися в системе, к единой временной шкале и достоверной оценки состояния объекта контроля.
Все модули сбора данных 6 в одном блоке сбора 1 используют одни и те же интерфейсные линии (шину) для приема и передачи информации и общий модуль согласования 7, что снижает общий объем линий связи и аппаратных средств системы. Для исключения конфликтных ситуаций (одновременная передача информации на шину несколькими модулями) используется дополнительная линия занятости шины, имеющая два состояния - «занято» или «свободно», определяемых уровнем электрического сигнала на этой линии. Узел контроля занятости шины 11 каждого модуля обеспечивает постоянное считывание состояния линии занятости и передает результат в узел управления 10. Если сигнал в линии соответствует состоянию «свободно» и при наличии готовых к передаче информационных пакетов, узел управления 10 одного из модулей 6 через узел контроля занятости шины 11 устанавливает линию в состояние «занято» и выдает информационный пакет в контроллер шины 12, который дополняет пакет служебной информацией (адрес модуля в системе, тип модуля, контрольные суммы и т.п.), соответствующей принятому в системе протоколу информационного обмена. Сформированный пакет выдается через интерфейсный модуль 7 и концентратор 2 в накопитель 3 (для хранения и последующего анализа собранной информации) и в ПЭВМ 4 (для ее просмотра и анализа в режиме реального времени). Во время передачи пакета линия занятости шины поддерживается узлом 11 в состоянии «занято».
По окончании передачи пакета узел управления 10 через узел контроля занятости шины 11 устанавливает линию занятости в состояние «свободно», после чего передачу информации (при наличии сформированных информационных пакетов) может начать любой другой модуль сбора данных 6. Таким образом, реализуется максимально эффективное использование пропускной способности информационной шины.
Описанная архитектура системы сбора данных позволяет осуществлять перемещение модулей сбора данных 6 внутри блоков сбора 1 без дополнительного реконфигурирования системы в целом. При выходе из строя одного или нескольких модулей сбора данных 6 исправные модули продолжают собирать информацию. Введение узла контроля занятости шины позволяет использовать единую шину приема-передачи информации внутри блоков сбора 1 и отказаться от внутриблочного концентратора информационных каналов, что снижает стоимость и массогабаритные характеристики блоков сбора 1 и системы в целом.