專(zhuān)利名稱(chēng)：基于pci-e技術(shù)的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)采集技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于PCI-E技術(shù)的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
煤礦井下全部采用電纜供電，由于井下特殊的環(huán)境條件和移動(dòng)供電設(shè)備較多的特點(diǎn)，導(dǎo)致井下供電電纜事故率高，嚴(yán)重地影響了煤礦的安全、正常運(yùn)行。由于井下供電電纜較短，電纜在線故障定位一般采用基于雙端行波信息，而該技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)雙端信息的同步采集。GPS信息同步采集法是地面電纜故障定位的常用方法，該方法的同步采樣原理為由高精度晶振構(gòu)成的振蕩器經(jīng)過(guò)分頻能產(chǎn)生滿足采樣率要求的時(shí)鐘信號(hào)，每隔Is被GPS的秒脈沖(PPS)信號(hào)同步一次，保證振蕩器輸出的脈沖信號(hào)的前沿與GPS時(shí)鐘同步，各裝置都以振蕩器輸出的經(jīng)過(guò)同步的時(shí)鐘信號(hào)作為采用脈沖輸出控制各自的數(shù)據(jù)采集，因此采樣是同步的，GPS接收機(jī)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口將時(shí)間信息傳遞給數(shù)據(jù)采集裝置，用于給采樣數(shù)據(jù)以“時(shí)間標(biāo)簽”，以用于數(shù)據(jù)傳送和處理。但是這一方法由于GPS本身精度還是存在不足，加上由于煤礦井下往往深達(dá)幾十米甚至上百米，GPS無(wú)法定位，因此GPS信息同步采集法難以使用。同時(shí)，常用的電纜故障定位都是針對(duì)單條電纜，每一個(gè)信息采集端都需要配置高性能的信息采集、處理，而井下電纜供電網(wǎng)如果都按照這種模式進(jìn)行配置，成本很高。因此有必要提出一種具有集成化優(yōu)勢(shì)、適用于井下環(huán)境的電纜故障定位系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于PCI-E技術(shù)的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，通過(guò)一種基于光纖通道、由一個(gè)信息處理節(jié)點(diǎn)、多個(gè)獨(dú)立的信息采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的同步信息采集系統(tǒng)，可以高效率地實(shí)現(xiàn)煤礦井下的電纜網(wǎng)的故障在線定位。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
該種基于PCI-E技術(shù)的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，包括多個(gè)信息采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理中心，所述信息采集節(jié)點(diǎn)用于采集待測(cè)電纜的電壓信號(hào)，并通過(guò)PCI-E端口輸出至數(shù)據(jù)處理中心；
所述信息采集節(jié)點(diǎn)采用PCI-E架構(gòu)，包括高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、可編程增益放大器和 FPGA芯片，待測(cè)電纜的電壓模擬信號(hào)經(jīng)可編程增益放大器放大后，通過(guò)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸入至FPGA芯片的FIFO緩存器，經(jīng)由FPGA內(nèi)在邏輯實(shí)現(xiàn)內(nèi)存控制器接口于板載內(nèi)存的采集數(shù)據(jù)的緩存，并通過(guò)DMA方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程MCU對(duì)本地DDR3內(nèi)存數(shù)據(jù)的直接讀寫(xiě)，將采集后數(shù)據(jù)通過(guò)PCI-E輸出接口經(jīng)由光纖模塊上傳至數(shù)據(jù)處理中心；
所述數(shù)據(jù)處理中心包括PCI-E交換機(jī)和微處理器，通過(guò)PCI-E交換機(jī)與分布式采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到微處理器進(jìn)行處理后，通過(guò)光纖以太網(wǎng)接口發(fā)送到上位機(jī)， 所述數(shù)據(jù)處理中心提供PCI-E系統(tǒng)參考時(shí)鐘和AD采集同步時(shí)鐘到分布式信息采集節(jié)點(diǎn)，任一信息采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集均由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一控制管理。進(jìn)一步，所述FPGA芯片的PCI-E輸出接口與光纖模塊之間設(shè)置有用于提高PCI-E 傳輸信號(hào)質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)芯片；
進(jìn)一步，所述數(shù)據(jù)處理中心還包括外部存儲(chǔ)硬盤(pán)，所述外部存儲(chǔ)硬盤(pán)與微處理器的大容量存儲(chǔ)設(shè)備接口相聯(lián)接，所述數(shù)據(jù)處理中心將采集數(shù)據(jù)緩存至硬盤(pán)中，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量采集時(shí)采樣數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)；
進(jìn)一步，所述外部存儲(chǔ)硬盤(pán)為SATA接口的SSD固態(tài)硬盤(pán)；
進(jìn)一步，所述信息采集節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一供電，每一信息采集節(jié)點(diǎn)的供電線纜與光纖設(shè)置在一根同軸電纜內(nèi)。本發(fā)明的有益效果是
1.本發(fā)明根據(jù)井下電纜鋪建的特點(diǎn)，基于光纖傳輸通道，由一個(gè)信息處理節(jié)點(diǎn)、多個(gè)獨(dú)立的信息采集節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成同步信息采集系統(tǒng)，本發(fā)明的系統(tǒng)采用先進(jìn)的PCI-E高速互聯(lián)技術(shù)、PCI-E交換技術(shù)以及光纖通信技術(shù)，所有板卡之間的通信采用全PCI-E結(jié)構(gòu)，前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備內(nèi)部存儲(chǔ)空間可由采集接收卡統(tǒng)一管理，由于去掉了 CPU的轉(zhuǎn)發(fā)干預(yù)以及負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使得數(shù)據(jù)傳輸速率更高，軟件開(kāi)銷(xiāo)更小，進(jìn)而使真?zhèn)€系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰明了，高效率地實(shí)現(xiàn)煤礦井下的電纜網(wǎng)的故障在線定位；
2.本發(fā)明的整個(gè)采集管理體系盡可能由硬件實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的搬運(yùn)過(guò)程采用DMA方式，從最大程度上減少了 MCU的參與，保證系統(tǒng)帶寬和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，方便數(shù)據(jù)處理中心對(duì)采集數(shù)據(jù)的讀取搬移；
3.本系統(tǒng)的信息采集節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)井下需要進(jìn)行擴(kuò)展，其設(shè)備調(diào)試簡(jiǎn)單，適合推廣使用。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說(shuō)明書(shū)中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)下面的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中
圖1為信息采集節(jié)點(diǎn)的硬件連接示意圖； 圖2為數(shù)據(jù)處理中心的硬件連接示意圖； 圖3為帶有4個(gè)信息采集節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)連接示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下將參照附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說(shuō)明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。 PCI Express總線(即PCI-E總線)是一種完全不同于過(guò)去PCI總線的一種全新總線規(guī)范，與PCI總線共享并行架構(gòu)相比，PCI Express總線是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行連接的設(shè)備連接方式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)意味著每一個(gè)PCI Express設(shè)備都擁有自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)連接，各個(gè)設(shè)備之間并發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸互不影響，而對(duì)于過(guò)去PCI那種共享總線方式，PCI總線上只能有一個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信，一旦PCI總線上掛接的設(shè)備增多，每個(gè)設(shè)備的實(shí)際傳輸速率就會(huì)下降，性能得不到保證。而PCI Express以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式處理通信，每個(gè)設(shè)備在要求傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候各自建立自己的傳輸通道，對(duì)于其他設(shè)備這個(gè)通道是封閉的，這樣的操作保證了通道的專(zhuān)有性， 避免其他設(shè)備的干擾。在傳輸速率方面，PCI Express總線利用串行的連接特點(diǎn)將能輕松將數(shù)據(jù)傳輸速度提到一個(gè)很高的頻率，達(dá)到遠(yuǎn)超出PCI總線的傳輸速率。PCI Express的接口根據(jù)總線位寬不同而有所差異，包括xl、x4、x8以及xl6(x2模式將用于內(nèi)部接口而非插槽模式)，其中 Xl的傳輸速度為250MB/S，而X16就是等于16倍于Xl的速度，即是4GB/s。與此同時(shí)，PCI Express總線支持雙向傳輸模式，還可以運(yùn)行全雙工模式，它的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質(zhì)量，它們之間的差異跟半雙工和全雙工類(lèi)似。因此連接的每個(gè)裝置都可以使用最大帶寬，PCI Express接口設(shè)備將有著比PCI設(shè)備優(yōu)越的多的資源可用。本發(fā)明的基于PCI-E技術(shù)的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，包括多個(gè)信息采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理中心，其中，信息采集節(jié)點(diǎn)用于采集待測(cè)電纜的電壓信號(hào)，并通過(guò)PCI-E端口輸出至數(shù)據(jù)處理中心；
如圖1所示，信息采集節(jié)點(diǎn)采用PCI-E架構(gòu)，包括高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、可編程增益放大器和FPGA芯片，待測(cè)電纜的電壓模擬信號(hào)經(jīng)可編程增益放大器放大后，通過(guò)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸入至FPGA芯片的FIFO緩存器，經(jīng)由FPGA內(nèi)在邏輯實(shí)現(xiàn)內(nèi)存控制器接口于板載內(nèi)存的采集數(shù)據(jù)的緩存，并通過(guò)DMA方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程MCU對(duì)本地DDR3內(nèi)存數(shù)據(jù)的直接讀寫(xiě)，將采集后數(shù)據(jù)通過(guò)PCI-E輸出接口經(jīng)由光纖模塊上傳至數(shù)據(jù)處理中心；本實(shí)施例中，為增加PCI Express信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，F(xiàn)PGA芯片的PCI-E輸出接口與光纖模塊之間設(shè)置有驅(qū)動(dòng)芯片，用于提高PCI-E傳輸信號(hào)質(zhì)量。如圖2所示，數(shù)據(jù)處理中心包括PCI-E交換機(jī)和微處理器(MPC83XX系列)，通過(guò) PCI-E交換機(jī)與分布式采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到微處理器進(jìn)行處理后，通過(guò)光纖以太網(wǎng)接口發(fā)送到上位機(jī)，所述數(shù)據(jù)處理中心提供PCI-E系統(tǒng)參考時(shí)鐘和AD采集同步時(shí)鐘到分布式信息采集節(jié)點(diǎn)，任一信息采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集均由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一控制管理。數(shù)據(jù)處理中心還包括外部存儲(chǔ)硬盤(pán)，所述外部存儲(chǔ)硬盤(pán)與微處理器的大容量存儲(chǔ)設(shè)備接口相聯(lián)接，所述數(shù)據(jù)處理中心將采集數(shù)據(jù)緩存至硬盤(pán)中，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量采集時(shí)采樣數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。本實(shí)施例中，外部存儲(chǔ)硬盤(pán)為SATA接口的SSD固態(tài)硬盤(pán)，從而充分利用固態(tài)硬盤(pán)啟動(dòng)快、讀取延遲小、寫(xiě)入速度快、發(fā)熱小、無(wú)噪音、工作范圍大、不會(huì)發(fā)生機(jī)械故障等優(yōu)點(diǎn)，使之滿足井下工作的需要。作為進(jìn)一步的改進(jìn)，為了整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施的可靠性和維修方便性，遠(yuǎn)程采集節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一供電，供電線與4根光纖捆綁在一根同軸電纜內(nèi)，從而便于系統(tǒng)維護(hù)。如圖3所示，本發(fā)明的信息采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理中心都采用了集成板卡的結(jié)構(gòu)，其中信息采集節(jié)點(diǎn)的PCI-E輸出接口包括PCI-E信號(hào)輸出端口、PCI-E信號(hào)接收端口和PCI-E系統(tǒng)參考時(shí)鐘端口，每一路FPGA芯片的PCI-E輸出接口、PCI-E信號(hào)接收端口和PCI-E系統(tǒng)參考時(shí)鐘端口分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理中心板卡結(jié)構(gòu)上的PCI-E信號(hào)接收端口、PCI-E信號(hào)輸出端口和PCI-E系統(tǒng)參考時(shí)鐘端口 ；通過(guò)由數(shù)據(jù)處理中心提供統(tǒng)一的PCI Express參考時(shí)鐘，確保系統(tǒng)PCI-E統(tǒng)一工作在一個(gè)時(shí)鐘下，同時(shí)，信息采集節(jié)點(diǎn)具有AD采集同步時(shí)鐘，同步時(shí)鐘均由數(shù)據(jù)處理中心提供 (兩者對(duì)應(yīng)的接口即圖中的ADC Start Reference Clock)，確保整個(gè)系統(tǒng)工作在一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘下。根據(jù)系統(tǒng)需要，本系統(tǒng)通過(guò)選用PCI-E交換芯片型號(hào)，可以形成特定數(shù)量采集節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展。其擴(kuò)展非常方便。需要說(shuō)明的是，圖1、圖2、圖3為本領(lǐng)域的通用架構(gòu)圖，其圖中的英文名稱(chēng)為本領(lǐng)域的公知名稱(chēng)，引用圖1-圖3的目的是說(shuō)明本發(fā)明的可行性。在本發(fā)明中，針對(duì)井下的具體特點(diǎn)做出了具有創(chuàng)造性的應(yīng)用，而并非是現(xiàn)有技術(shù)的簡(jiǎn)單堆砌和拼湊。最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.基于PCI-E技術(shù)的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括多個(gè)信息采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理中心，所述信息采集節(jié)點(diǎn)用于采集待測(cè)電纜的電壓信號(hào)，并通過(guò) PCI-E端口輸出至數(shù)據(jù)處理中心；所述信息采集節(jié)點(diǎn)采用PCI-E架構(gòu)，包括高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、可編程增益放大器和 FPGA芯片，待測(cè)電纜的電壓模擬信號(hào)經(jīng)可編程增益放大器放大后，通過(guò)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸入至FPGA芯片的FIFO緩存器，經(jīng)由FPGA內(nèi)在邏輯實(shí)現(xiàn)內(nèi)存控制器接口于板載內(nèi)存的采集數(shù)據(jù)的緩存，并通過(guò)DMA方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程MCU對(duì)本地DDR3內(nèi)存數(shù)據(jù)的直接讀寫(xiě)，將采集后數(shù)據(jù)通過(guò)PCI-E輸出接口經(jīng)由光纖模塊上傳至數(shù)據(jù)處理中心；所述數(shù)據(jù)處理中心包括PCI-E交換機(jī)和微處理器，通過(guò)PCI-E交換機(jī)與分布式采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到微處理器進(jìn)行處理后，通過(guò)光纖以太網(wǎng)接口發(fā)送到上位機(jī)， 所述數(shù)據(jù)處理中心提供PCI-E系統(tǒng)參考時(shí)鐘和AD采集同步時(shí)鐘到分布式信息采集節(jié)點(diǎn)，任一信息采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集均由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一控制管理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PCI-E技術(shù)的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，其特征在于所述FPGA芯片的PCI-E輸出接口與光纖模塊之間設(shè)置有用于提高PCI-E傳輸信號(hào)質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)芯片。
3..根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于PCI-E技術(shù)的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理中心還包括外部存儲(chǔ)硬盤(pán)，所述外部存儲(chǔ)硬盤(pán)與微處理器的大容量存儲(chǔ)設(shè)備接口相聯(lián)接，所述數(shù)據(jù)處理中心將采集數(shù)據(jù)緩存至硬盤(pán)中，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量采集時(shí)采樣數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于PCI-E技術(shù)的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，其特征在于所述外部存儲(chǔ)硬盤(pán)為SATA接口的SSD固態(tài)硬盤(pán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PCI-E技術(shù)的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，其特征在于所述信息采集節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一供電，每一信息采集節(jié)點(diǎn)的供電線纜與光纖設(shè)置在一根同軸電纜內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于PCI-E技術(shù)的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個(gè)信息采集節(jié)點(diǎn)和一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，信息采集節(jié)點(diǎn)用于采集待測(cè)電纜的故障行波信號(hào)，并通過(guò)PCI-E端口輸出至數(shù)據(jù)處理中心；信息采集節(jié)點(diǎn)采用PCI-E架構(gòu)，包括高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、可編程增益放大器和FPGA芯片，數(shù)據(jù)處理中心包括PCI-E交換機(jī)和微處理器，本發(fā)明的系統(tǒng)采用先進(jìn)的PCI-E高速互聯(lián)技術(shù)、PCI-E交換技術(shù)以及光纖通信技術(shù)，所有板卡之間的通信采用全PCI-E結(jié)構(gòu)，前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備內(nèi)部存儲(chǔ)空間可由采集接收卡統(tǒng)一管理，由于去掉了CPU的轉(zhuǎn)發(fā)干預(yù)以及負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使得數(shù)據(jù)傳輸速率更高，軟件開(kāi)銷(xiāo)更小，進(jìn)而使真?zhèn)€系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰明了，高效率地實(shí)現(xiàn)煤礦井下的電纜網(wǎng)的故障在線定位。
文檔編號(hào)G01R31/08GK102288877SQ20111021785
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月1日
發(fā)明者周大敏, 安文斗 申請(qǐng)人:中煤科工集團(tuán)重慶研究院