專利名稱：基于pci-e技術的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)采集技術領域，特別涉及一種基于PCI-E技術的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)。
背景技術：
煤礦井下全部采用電纜供電，由于井下特殊的環(huán)境條件和移動供電設備較多的特點，導致井下供電電纜事故率高，嚴重地影響了煤礦的安全、正常運行。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，而該技術的關鍵點是如何實現(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成的振蕩器經(jīng)過分頻能產(chǎn)生滿足采樣率要求的時鐘信號，每隔Is被GPS的秒脈沖(PPS)信號同步一次，保證振蕩器輸出的脈沖信號的前沿與GPS時鐘同步，各裝置都以振蕩器輸出的經(jīng)過同步的時鐘信號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接收機經(jīng)過標準串口將時間信息傳遞給數(shù)據(jù)采集裝置，用于給采樣數(shù)據(jù)以“時間標簽”，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幾十米甚至上百米，GPS無法定位，因此GPS信息同步采集法難以使用。同時，常用的電纜故障定位都是針對單條電纜，每一個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行配置，成本很高。因此有必要提出一種具有集成化優(yōu)勢、適用于井下環(huán)境的電纜故障定位系統(tǒng)。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于PCI-E技術的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，通過一種基于光纖通道、由一個信息處理節(jié)點、多個獨立的信息采集節(jié)點構成的同步信息采集系統(tǒng)，可以高效率地實現(xiàn)煤礦井下的電纜網(wǎng)的故障在線定位。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的
該種基于PCI-E技術的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，包括多個信息采集節(jié)點和數(shù)據(jù)處理中心，所述信息采集節(jié)點用于采集待測電纜的電壓信號，并通過PCI-E端口輸出至數(shù)據(jù)處理中心；
所述信息采集節(jié)點采用PCI-E架構，包括高速模數(shù)轉換芯片、可編程增益放大器和 FPGA芯片，待測電纜的電壓模擬信號經(jīng)可編程增益放大器放大后，通過高速模數(shù)轉換芯片轉換為數(shù)字信號，并輸入至FPGA芯片的FIFO緩存器，經(jīng)由FPGA內在邏輯實現(xiàn)內存控制器接口于板載內存的采集數(shù)據(jù)的緩存，并通過DMA方式實現(xiàn)遠程MCU對本地DDR3內存數(shù)據(jù)的直接讀寫，將采集后數(shù)據(jù)通過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交換機和微處理器，通過PCI-E交換機與分布式采集節(jié)點實現(xiàn)互聯(lián)，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到微處理器進行處理后，通過光纖以太網(wǎng)接口發(fā)送到上位機， 所述數(shù)據(jù)處理中心提供PCI-E系統(tǒng)參考時鐘和AD采集同步時鐘到分布式信息采集節(jié)點，任一信息采集節(jié)點的數(shù)據(jù)采集均由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一控制管理。進一步，所述FPGA芯片的PCI-E輸出接口與光纖模塊之間設置有用于提高PCI-E 傳輸信號質量的驅動芯片；
進一步，所述數(shù)據(jù)處理中心還包括外部存儲硬盤，所述外部存儲硬盤與微處理器的大容量存儲設備接口相聯(lián)接，所述數(shù)據(jù)處理中心將采集數(shù)據(jù)緩存至硬盤中，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量采集時采樣數(shù)據(jù)的可靠存儲；
進一步，所述外部存儲硬盤為SATA接口的SSD固態(tài)硬盤；
進一步，所述信息采集節(jié)點由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一供電，每一信息采集節(jié)點的供電線纜與光纖設置在一根同軸電纜內。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，基于光纖傳輸通道，由一個信息處理節(jié)點、多個獨立的信息采集節(jié)點共同構成同步信息采集系統(tǒng)，本發(fā)明的系統(tǒng)采用先進的PCI-E高速互聯(lián)技術、PCI-E交換技術以及光纖通信技術，所有板卡之間的通信采用全PCI-E結構，前端數(shù)據(jù)采集設備內部存儲空間可由采集接收卡統(tǒng)一管理，由于去掉了 CPU的轉發(fā)干預以及負載的網(wǎng)絡協(xié)議，使得數(shù)據(jù)傳輸速率更高，軟件開銷更小，進而使真?zhèn)€系統(tǒng)結構清晰明了，高效率地實現(xiàn)煤礦井下的電纜網(wǎng)的故障在線定位；
2.本發(fā)明的整個采集管理體系盡可能由硬件實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的搬運過程采用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)的實時性，方便數(shù)據(jù)處理中心對采集數(shù)據(jù)的讀取搬移；
3.本系統(tǒng)的信息采集節(jié)點可以根據(jù)井下需要進行擴展，其設備調試簡單，適合推廣使用。本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現(xiàn)和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中
圖1為信息采集節(jié)點的硬件連接示意圖； 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個信息采集節(jié)點的系統(tǒng)連接示意圖。
具體實施例方式
以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。應當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。 PCI Express總線(即PCI-E總線)是一種完全不同于過去PCI總線的一種全新總線規(guī)范，與PCI總線共享并行架構相比，PCI Express總線是一種點對點串行連接的設備連接方式，點對點意味著每一個PCI Express設備都擁有自己獨立的數(shù)據(jù)連接，各個設備之間并發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸互不影響，而對于過去PCI那種共享總線方式，PCI總線上只能有一個設備進行通信，一旦PCI總線上掛接的設備增多，每個設備的實際傳輸速率就會下降，性能得不到保證。而PCI Express以點對點的方式處理通信，每個設備在要求傳輸數(shù)據(jù)的時候各自建立自己的傳輸通道，對于其他設備這個通道是封閉的，這樣的操作保證了通道的專有性， 避免其他設備的干擾。在傳輸速率方面，PCI Express總線利用串行的連接特點將能輕松將數(shù)據(jù)傳輸速度提到一個很高的頻率，達到遠超出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，PCI Express總線支持雙向傳輸模式，還可以運行全雙工模式，它的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質量，它們之間的差異跟半雙工和全雙工類似。因此連接的每個裝置都可以使用最大帶寬，PCI Express接口設備將有著比PCI設備優(yōu)越的多的資源可用。本發(fā)明的基于PCI-E技術的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，包括多個信息采集節(jié)點和數(shù)據(jù)處理中心，其中，信息采集節(jié)點用于采集待測電纜的電壓信號，并通過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)點采用PCI-E架構，包括高速模數(shù)轉換芯片、可編程增益放大器和FPGA芯片，待測電纜的電壓模擬信號經(jīng)可編程增益放大器放大后，通過高速模數(shù)轉換芯片轉換為數(shù)字信號，并輸入至FPGA芯片的FIFO緩存器，經(jīng)由FPGA內在邏輯實現(xiàn)內存控制器接口于板載內存的采集數(shù)據(jù)的緩存，并通過DMA方式實現(xiàn)遠程MCU對本地DDR3內存數(shù)據(jù)的直接讀寫，將采集后數(shù)據(jù)通過PCI-E輸出接口經(jīng)由光纖模塊上傳至數(shù)據(jù)處理中心；本實施例中，為增加PCI Express信號的驅動能力，F(xiàn)PGA芯片的PCI-E輸出接口與光纖模塊之間設置有驅動芯片，用于提高PCI-E傳輸信號質量。如圖2所示，數(shù)據(jù)處理中心包括PCI-E交換機和微處理器(MPC83XX系列)，通過 PCI-E交換機與分布式采集節(jié)點實現(xiàn)互聯(lián)，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到微處理器進行處理后，通過光纖以太網(wǎng)接口發(fā)送到上位機，所述數(shù)據(jù)處理中心提供PCI-E系統(tǒng)參考時鐘和AD采集同步時鐘到分布式信息采集節(jié)點，任一信息采集節(jié)點的數(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硬盤，所述外部存儲硬盤與微處理器的大容量存儲設備接口相聯(lián)接，所述數(shù)據(jù)處理中心將采集數(shù)據(jù)緩存至硬盤中，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量采集時采樣數(shù)據(jù)的可靠存儲。本實施例中，外部存儲硬盤為SATA接口的SSD固態(tài)硬盤，從而充分利用固態(tài)硬盤啟動快、讀取延遲小、寫入速度快、發(fā)熱小、無噪音、工作范圍大、不會發(fā)生機械故障等優(yōu)點，使之滿足井下工作的需要。作為進一步的改進，為了整個系統(tǒng)實施的可靠性和維修方便性，遠程采集節(jié)點由數(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，從而便于系統(tǒng)維護。如圖3所示，本發(fā)明的信息采集節(jié)點和數(shù)據(jù)處理中心都采用了集成板卡的結構，其中信息采集節(jié)點的PCI-E輸出接口包括PCI-E信號輸出端口、PCI-E信號接收端口和PCI-E系統(tǒng)參考時鐘端口，每一路FPGA芯片的PCI-E輸出接口、PCI-E信號接收端口和PCI-E系統(tǒng)參考時鐘端口分別對應數(shù)據(jù)處理中心板卡結構上的PCI-E信號接收端口、PCI-E信號輸出端口和PCI-E系統(tǒng)參考時鐘端口 ；通過由數(shù)據(jù)處理中心提供統(tǒng)一的PCI Express參考時鐘，確保系統(tǒng)PCI-E統(tǒng)一工作在一個時鐘下，同時，信息采集節(jié)點具有AD采集同步時鐘，同步時鐘均由數(shù)據(jù)處理中心提供 (兩者對應的接口即圖中的ADC Start Reference Clock)，確保整個系統(tǒng)工作在一個統(tǒng)一的時鐘下。根據(jù)系統(tǒng)需要，本系統(tǒng)通過選用PCI-E交換芯片型號，可以形成特定數(shù)量采集節(jié)點的擴展。其擴展非常方便。需要說明的是，圖1、圖2、圖3為本領域的通用架構圖，其圖中的英文名稱為本領域的公知名稱，引用圖1-圖3的目的是說明本發(fā)明的可行性。在本發(fā)明中，針對井下的具體特點做出了具有創(chuàng)造性的應用，而并非是現(xiàn)有技術的簡單堆砌和拼湊。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.基于PCI-E技術的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括多個信息采集節(jié)點和數(shù)據(jù)處理中心，所述信息采集節(jié)點用于采集待測電纜的電壓信號，并通過 PCI-E端口輸出至數(shù)據(jù)處理中心；所述信息采集節(jié)點采用PCI-E架構，包括高速模數(shù)轉換芯片、可編程增益放大器和 FPGA芯片，待測電纜的電壓模擬信號經(jīng)可編程增益放大器放大后，通過高速模數(shù)轉換芯片轉換為數(shù)字信號，并輸入至FPGA芯片的FIFO緩存器，經(jīng)由FPGA內在邏輯實現(xiàn)內存控制器接口于板載內存的采集數(shù)據(jù)的緩存，并通過DMA方式實現(xiàn)遠程MCU對本地DDR3內存數(shù)據(jù)的直接讀寫，將采集后數(shù)據(jù)通過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交換機和微處理器，通過PCI-E交換機與分布式采集節(jié)點實現(xiàn)互聯(lián)，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到微處理器進行處理后，通過光纖以太網(wǎng)接口發(fā)送到上位機， 所述數(shù)據(jù)處理中心提供PCI-E系統(tǒng)參考時鐘和AD采集同步時鐘到分布式信息采集節(jié)點，任一信息采集節(jié)點的數(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)權利要求1所述的基于PCI-E技術的礦用電纜網(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置有用于提高PCI-E傳輸信號質量的驅動芯片。
3..根據(jù)權利要求1或2所述的基于PCI-E技術的礦用電纜網(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硬盤，所述外部存儲硬盤與微處理器的大容量存儲設備接口相聯(lián)接，所述數(shù)據(jù)處理中心將采集數(shù)據(jù)緩存至硬盤中，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量采集時采樣數(shù)據(jù)的可靠存儲。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于PCI-E技術的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，其特征在于所述外部存儲硬盤為SATA接口的SSD固態(tài)硬盤。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于PCI-E技術的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，其特征在于所述信息采集節(jié)點由數(shù)據(jù)處理中心統(tǒng)一供電，每一信息采集節(jié)點的供電線纜與光纖設置在一根同軸電纜內。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于PCI-E技術的礦用電纜網(wǎng)在線故障定位系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多個信息采集節(jié)點和一個數(shù)據(jù)處理中心，信息采集節(jié)點用于采集待測電纜的故障行波信號，并通過PCI-E端口輸出至數(shù)據(jù)處理中心；信息采集節(jié)點采用PCI-E架構，包括高速模數(shù)轉換芯片、可編程增益放大器和FPGA芯片，數(shù)據(jù)處理中心包括PCI-E交換機和微處理器，本發(fā)明的系統(tǒng)采用先進的PCI-E高速互聯(lián)技術、PCI-E交換技術以及光纖通信技術，所有板卡之間的通信采用全PCI-E結構，前端數(shù)據(jù)采集設備內部存儲空間可由采集接收卡統(tǒng)一管理，由于去掉了CPU的轉發(fā)干預以及負載的網(wǎng)絡協(xié)議，使得數(shù)據(jù)傳輸速率更高，軟件開銷更小，進而使真?zhèn)€系統(tǒng)結構清晰明了，高效率地實現(xiàn)煤礦井下的電纜網(wǎng)的故障在線定位。
文檔編號G01R31/08GK102288877SQ20111021785
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月1日 優(yōu)先權日2011年8月1日
發(fā)明者周大敏, 安文斗 申請人:中煤科工集團重慶研究院