Gömülü Ethernet Bazlı Dağıtık Veri Toplama Sistemi
Fu Liangrui 1, Chen Yaohong 2, Hu Xiangchao 1, Zhu Baoliang 1
(1. Kuzeybatı Nükleer Teknoloji Enstitüsü, Xi'an, Shaanxi 710024; 2. Xi'an Optik ve İnce Mekanik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, Xi'an, Shaanxi 710119)
Sismik arama şu anda petrol, doğalgaz ve kömür gibi yeraltı kaynaklarını tespit etmenin önemli bir yoludur. Sismik keşif için kullanılabilen, verileri yüksek hassasiyetle toplayabilen, Ethernet üzerinden uzun süreli aktarımdan sonra verileri merkezi olarak işleyip depolayabilen ve mevcut döngü devreleri ve uzun kararlı saatler kullanarak saat senkronizasyon problemini çözebilen dağıtılmış bir veri toplama sistemi önerilmiştir. Deneyler, sistemin istikrarlı bir şekilde çalıştığını, veri aktarımının güvenilir, uygun maliyetli ve iyi uygulama olanaklarına sahip olduğunu kanıtlamıştır.
Dağıtılmış; W5300; Uzun mesafe Ethernet; Akım döngüsü
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN871
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.166610
Çince alıntı biçimi: Fu Liangrui, Chen Yaohong, Hu Xiangchao, vb. Gömülü Ethernet Tabanlı Dağıtılmış Veri Toplama Sistemi Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (8): 58-61.
İngilizce alıntı biçimi: Fu Liangrui, Chen Yaohong, Hu Xiangchao, vd.Gömülü Ethernet'e dayalı dağıtılmış bir veri toplama sistemi.Elektronik Teknik Uygulaması, 2017, 43 (8): 58-61.
0 Önsöz
Sismik arama şu anda petrol, doğalgaz ve kömür gibi yeraltı kaynaklarını tespit etmek için en önemli yöntemdir. Sismik araştırmanın geleneksel prensibi, sismik dalgaları yapay olarak uyarmak, yüzeydeki karşılık gelen sismik dalga biçimlerini tespit etmek için jeofon kullanmak ve bunları sonraki devre tarafından toplanacak, işlenecek ve depolanacak elektrik sinyallerine dönüştürmektir. Yapay sismik dalgaların dalga formu verilerini daha fazla analiz edin, yeraltı kaya oluşumlarının şeklini ve doğasını çıkarın ve gerekli kaynakların depolanıp depolanmadığını belirleyin. Güvendiği en kritik ekipman, sismik araştırma cihazı veya sismik veri toplama sistemi gibi jeofizik ekipmanlardır.
Dağıtılmış veri toplama sistemi, çoğunlukla yer edinme istasyonu (baz istasyonu), telemetri veri iletim kablosu ve merkezi kontrol istasyonundan (ana istasyon) oluşan çeşitli jeofizik araştırma ekipmanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Baz istasyonu, jeofonlar ve veri toplama devreleri içerir ve konum, ön edinim noktalarının özel dağılımı ile belirlenir. Ana istasyonun ana görevi çeşitli komutlar vermek, toplanan verilerin kaydını ve kalite izlemesini tamamlamak ve verileri gerçek zamanlı olarak analiz etmektir.
Tüm sistem tasarımının zorlukları şu yönlerde yoğunlaşmaktadır: yüksek hassasiyetli veri toplama; siteler arasında ağ oluşturma ve veri aktarım yapısının tasarımı; kararlı ve güvenilir uzun mesafeli yüksek hızlı veri iletişim çözümleri; sistem sitelerinin doğru senkronizasyonu.
1 Sistem şeması tasarımı
Sistemin genel çerçevesi Şekil 1'de gösterilmektedir. 220 m'lik bir bitişik mesafeye sahip olan ve düz bir hat üzerinde eşit olarak dağıtılmış 12 baz istasyonu, doğru ve senkronize edilmiş veri toplama uygular. Her baz istasyonunun 4 kanalı vardır, çözünürlük 24 bit, en yüksek örnekleme hızı 4 kS / s'dir ve istasyonlar arasındaki senkronizasyon hatası 50 s içinde kontrol edilir. Her baz istasyonu, dalga biçimi verilerini gerçek zamanlı olarak toplar ve veri işleme, depolama ve görüntüleme işlevlerini gerçekleştiren endüstriyel bir bilgisayar olan ana istasyonda toplar.
2 Sistem donanımı tasarımı
Bu makalede açıklanan dağıtılmış edinim sistemi donanımı temel olarak iki bölüme ayrılmıştır: ana kontrol kutusu ve baz istasyonu. Ana kontrol kutusu, ana istasyon ile her baz istasyonu arasında komut etkileşimi ve sinyal senkronizasyonu için bir ortam görevi görür Baz istasyonu, ana kontrol kutusu komutlarını alarak belirli bir süre içinde toplama görevini tamamlar ve verileri karşıya yükler ve iletir.
2.1 Ana kontrol kutusunun donanım tasarımı
Dağıtılmış veri toplama sisteminin genel tasarım planına göre, veri kanalı ve komut kanalı (senkronizasyon sinyali dahil) tamamen bağımsızdır ve ana kontrol kutusu, komut kanalının çekirdeğidir. Fonksiyonel blok şeması Şekil 2'deki gibi gösterilmiştir. Ana kontrol kutusunun ana bilgisayardan komutu alması ve GPS modülünün kalibrasyon ikinci darbesini senkronizasyon modülünün mevcut döngü devresi aracılığıyla her bir baz istasyonuna göndermesi gerekir. Devre basittir ve tek çipli mikro bilgisayarın performansı yüksek değildir, bu nedenle TI'nin MSP430F149'u ana kontrol çipi olarak kullanılır.
2.1.1 USB'den seri port modülüne
Ana istasyonun ana bilgisayar sistemi, başlangıç komutunu ve konfigürasyon bilgisini USB arabirimi üzerinden baz istasyonuna gönderir, iletişim hızı yüksek değildir.Geliştirme kolaylığı göz önünde bulundurularak, USB'nin seri porta yöntemi ve ardından mikrokontrolör ile iletişim seçilir. CH340T'yi USB veri yolu adaptör çipi olarak kullanın, tam hızlı USB2.0 arayüzünü destekleyin, çevre birimleri yalnızca kristal osilatöre ve birkaç kapasitör, basit yapı ve güvenilir çalışmaya ihtiyaç duyar. CH340T, yerleşik bağımsız alıcı-verici arabelleğine sahiptir, tek yönlü, yarı çift yönlü ve tam çift yönlü asenkron seri iletişimi destekler ve güç tüketimini azaltmak için otomatik olarak USB aygıt askıya almayı destekler.
2.1.2 GPS modülü
Bu tasarım, CMOS seviyesinde kararlı bir şekilde yüksek hassasiyetli ikinci darbeler verebilen ve UTC zamanı ile senkronize edilebilen Trimble serisi bitmiş GPS alıcılarını kullanır. GPS modülü başlatıldıktan sonra, uydu sinyallerini toplayabilir ve enlem ve boylam, almanak ve efemeris gibi bilgileri elde ederek yüksek hassasiyetli bir ikinci darbe sağlayabilir.İkinci darbenin yükselen kenarı, uluslararası koordineli zaman ile doğru bir şekilde senkronize edilir. 1 ms'lik yüksek seviyeli bir darbe genişliğine sahiptir. 999 ms düşük. GPS zamanlama sisteminde birikmiş hata yoktur Bu nedenle, dağıtılmış veri toplama sistemindeki baz istasyonlarının voltaj kontrollü kristal osilatörlerini kontrol etmek için GPS ikinci darbelerinin kullanılması, uzun kararlı saatin birikmiş hatalarının uzun bir süre sonra sistemin senkronizasyonunu ciddi şekilde etkilemesi sorununu etkili bir şekilde çözebilir.
2.1.3 Baz istasyonu zaman senkronizasyon modülü
Modern dağıtılmış veri toplama sistemleri, zaman senkronizasyonunu sağlamak için genellikle GPS saat modülleri ekler, ancak her baz istasyonunu GPS modülleri ile donatmak çok pahalıdır. Bu makalede, daha düşük bir maliyetle yüksek ve doğru senkronizasyon elde etmek için senkronizasyon sinyalini iletmek için bir akım döngüsü kullanılmıştır. GPS saati alma modülü ana istasyona eklenir ve başlatma komutu ve ikinci darbe kalibrasyon sinyali, çekirdek olarak trans-iletkenlik amplifikatörü ile mevcut döngü devresi aracılığıyla baz istasyonuna gönderilir. Akım döngüsünün şematik diyagramı Şekil 3'te gösterilmektedir.
Ana istasyonun başlatma komutu ve GPS ikinci darbe kalibrasyon sinyali, kollektörün çıkış akımını kontrol etmek için transistörün tabanına VIN aracılığıyla bağlanan tek uçlu sinyallerdir (çıkış akımı 15 mA'dan büyüktür). Alıcı uçta, akım döngüsündeki akım sinyali bir örnekleme direnci aracılığıyla bir diferansiyel voltaj sinyaline dönüştürülür ve daha sonra bir diferansiyel voltaj sinyalinden tek uçlu bir voltaj sinyaline dönüşümü gerçekleştirmek için bir transistör devresi kullanılır. Akım döngü devresinin çekirdeği transistördür (transistör) Bu makale, Şekil 3'teki transistörü değiştirmek için transistans amplifikatörü OPA861'i kullanır.
Şekil 4, çekirdek olarak trans-iletkenlik amplifikatörü ile akım döngü boyunca baz istasyonu senkronizasyon fonksiyonunun şematik bir diyagramıdır. Dönüştürülmüş tek uçlu voltaj sinyali, sonraki dijital devreye bağlanmak için uygun olan yüksek hızlı bir karşılaştırıcı aracılığıyla dijital devre parçasına yüksek kaliteli bir darbe sinyali verir.
2.2 Baz istasyonu donanım tasarımı
Baz istasyonu donanım devresi temel olarak üç görevi tamamlar: birincisi, ana istasyonun mevcut döngüsü tarafından verilen başlatma komutunu, yapılandırma bilgilerini ve GPS ikinci darbe kalibrasyon sinyalini almaktır; ikincisi, sismik dalga formu verilerini toplamak ve okumak için iki ADS1282'yi kontrol etmektir; üçüncüsü Sonraki baz istasyonu tarafından yüklenen verileri okumak için bir W5300 kullanın ve ardından yerel istasyonun ve sonraki baz istasyonunun örneklenmiş verilerini önceki baz istasyonuna yüklemek için başka bir W5300 kullanın. Donanımın blok şeması Şekil 5'te gösterilmektedir.
2.2.1 Veri Toplama Modülü
Veri toplama modülü, jeofon tarafından çıkarılan sinyalleri almak ve sinyal koşullandırma, analog / dijital dönüştürme ve depolama (iletişim) gibi bir dizi görevi tamamlamak için çok sayıda edinim kanalına sahiptir. Veri toplama modülünün blok diyagramı Şekil 6'da gösterilmektedir.
Sinyal, jeofon aracılığıyla geniş hatlı filtreye bağlanır Büyük hat filtresi, iletim sırasında sinyalin getirdiği paraziti filtrelemek için ortak bir mod filtresi ile kademeli bir diferansiyel mod filtresinden oluşur. Tam diferansiyel ses amplifikatörü OPA1632, analogdan dijitale dönüştürücü ADS1282'nin ön tahrik devresini oluşturur Ortak mod voltajı, Vocm pini aracılığıyla bir harici voltaj regülatörü kaynağı tarafından kontrol edilir ve ADS1282 tarafından örneklenir. ADC sürücü devresinin ve ADS1282'de yerleşik olan programlanabilir amplifikatörün geri besleme direncini ayarlayarak, delta-sigma modülatörüne giren sinyalin genliği ayarlanabilir. ADS1282'nin giriş saat frekansı 4.096 MHz'dir ve SPI veriyolu üzerinden MCU ile komut ve veri iletişimini gerçekleştirir. MCU, ADS1282'nin senkronizasyonunu (SYNC), sıfırlamayı (/ RESET) ve düşük güç modu seçimini (/ PWDN) kontrol eder. ADS1282, MCU'ya henüz toplanan verileri okumasını bildirmek için / DRDY pini aracılığıyla harici bir kesintiyi tetikler.
2.2.2 Ağ iletişim modülü
Ağ iletişim modülü, WIZnet'in yüksek performanslı ağ protokol yongası W5300'ü seçer ve Ethernet arayüzünü ve protokolünü baz istasyonu sistemine sunar. W5300 yongası, MCU (STM-32F207) müdahalesi olmadan ağ protokolünü hızlı ve istikrarlı bir şekilde gerçekleştirebilen yerleşik 10M / 100M Ethernet denetleyicisine ve TCP protokol yığınına sahiptir.Aynı zamanda, dağıtılmış veri toplama gerçekleştirmek için ağ protokolü yongası W5300 ve ağ genişleticiyi birleştirir Sistem veri iletişimi. Baz istasyonu ağ iletişim devresinin yalnızca sonraki aşama verilerini alması değil, aynı zamanda önceki aşamaya da veri yüklemesi gerekir Temel blok diyagramı 7'de gösterilmiştir.
W5300 ve STM32F207'nin arayüz modu, 16 bitlik veriyolunun doğrudan adresleme modunu benimser.İki W5300, 10 bit adres veriyolunu paylaşır ve düşük etkili çip seçme sinyali (/ CS) tarafından seçilir; diğer tüm arayüzler bağımsızdır ve birbirlerini etkilemeyecektir. W5300, bellekleri alan / ileten tüm bağlantı noktalarının serbestçe tahsis edilmesi için bir birim olarak 8 KB ile 128 KB depolama alanına sahiptir. Tüm örneklenen veriler tek yönde iletilir ve daha yüksek iletişim performansı elde etmek için gerçek koşullarla birlikte esnek bir şekilde alan tahsis edilebilir. Ek olarak, 13F-60 serisi yonga, RJ-45 kristal kafa ve Ethernet PHY bağlantısını kolayca gerçekleştirebilen RJ-45 portu ve 10 / 100MBase-T ağ trafosunu entegre eder.
2.2.3 Uzun kararlı saat modülü
Uzun stabil saat modülü, esas olarak ADS1282 için yüksek hassasiyetli bir saat sağlamak için kullanılır ve dağıtılmış veri toplama sistemindeki senkronizasyon şeması tasarımının önemli bir parçasıdır. Mevcut yüksek kaliteli saat kaynakları kısa sürede çalışır ve yüksek stabiliteye sahiptir, ancak sistem uzun süre çalıştıktan sonra biriken hata, sistemin zaman referansında önemli bir sapmaya neden olacaktır. Kapalı bir döngü tarafından kontrol edilen yüksek hassasiyetli bir saat kaynağı, sıradan saat kaynaklarının uzun süreli çalışmasında biriken hata sorununu temelden çözebilir. Uzun kararlı saat modülünün işlevsel blok diyagramı Şekil 8'de gösterilmektedir.
3 Sistem yazılım tasarımı
Yazılım tasarımı, alt bilgisayar programı tasarımı ve üst bilgisayar programı tasarımı olarak ikiye ayrılır. Alt bilgisayar programı tasarımı, esas olarak ana kontrol kutusu program tasarımını ve baz istasyonu program tasarımını içerir; üst bilgisayar programı tasarımı, esas olarak PC terminal program tasarımına atıfta bulunur.
3.1 Ana kontrol kutusu program tasarımı
Ana kontrol kutusu, dağıtılmış veri toplama sisteminin komut kanalının çekirdeğidir.Başlatma komutunu ve konfigürasyon bilgilerini ana bilgisayardan USB üzerinden seri port devresine alır ve ardından akım döngüsü aracılığıyla her baz istasyonuna gönderir. Alımın başlamasından sonra, GPS ikinci nabız kalibrasyon sinyali saniyede bir her baz istasyonuna gönderilir. Ana kontrol kutusu program akış şeması Şekil 9'da gösterilmektedir.
3.2 Baz istasyonu program tasarımı
Baz istasyonu sistemindeki baz istasyonu ana denetleyicisi STM32F207'nin görevleri şunlardır: (1) Ana kontrol kutusunun edinme başlatma komutunu alın (örnekleme hızı ve süre yapılandırma bilgileri dahil olmak üzere senkronizasyon modülü tarafından alınır ve ayrıştırılır); (2) ADS1282'yi başlatın, her birini yapılandırın Öğe parametreleri. Veri toplamaya başladıktan sonra, ADS1282 tarafından tetiklenen harici kesintiyi alın, verileri okuyun ve ilgili tamponda saklayın; (3) 2 adet W5300'ü başlatın, biri sonraki baz istasyonu tarafından yüklenen verileri almak için sunucu olarak ayarlanır; diğeri istemci olarak ayarlanır Sonunda, önceki baz istasyonunun W5300'üne bağlanın ve tüm verileri yükleyin.
TCP modunda, W5300'deki veri paketi başına geçerli bayt sayısı 1460 B'ye kadardır. Toplama her tamamlandığında veri gönderilirse, ağ iletişiminin verimliliği ciddi şekilde azalacak ve ana istasyonun veri yönetimi elverişsiz olacaktır. Bu yazıda, tasarım paketi veri boyutu 1206 B'dir, bunlardan 1200 B geçerli örnek verilerdir (tek bir baz istasyonunun iki kanalı için 150 örnekleme sonucu), artı baz istasyonunu ve veri paketi numarasını işaretlemek için 6 B başlık tanımlama bilgisi . Her baz istasyonu karşılık gelen bir arabellek kurar Bu istasyonun örneklenmiş verileri ve sonraki baz istasyonların alınan örneklenmiş verileri geçici olarak arabellekte depolanır Tek çipli mikrobilgisayar, ADS1282 toplama sonucunu okuduktan sonra sırayla her tamponun saklama durumunu sorgulayacaktır. Tamponda tam bir veri paketinin bulunduğu tespit edildiğinde, ADS1282 harici kesme aralığı, verileri göndermekten sorumlu W5300'ün TX_FIFO'suna veri yazmak için kullanılır ve son olarak önceki baz istasyonuna gönderilir. Baz istasyon tek çipli bilgisayarın program akış şeması Şekil 10'da gösterildiği gibidir.
4 yorumlar
Bu makalenin ağ şemasına göre, tasarlanan dağıtık veri toplama sistemi test edilmiştir.Kaynak 2 V genliğe ve 10 Hz frekansa sahip bir sinüs dalgasıdır.Sistem 4 kS / s örnekleme hızı ile yapılandırılmıştır.ADS1282'nin dahili PGA kazancı 1'dir. Zaman 20 dakikadır.
Deney sırasında herhangi bir baz istasyonu isteğe göre değiştirildi ve görüntülenen 4 kanalın dalga formları doğru çıktı.Son olarak, 6 baz istasyonu verisi elde edildi ve örnekler sırayla 6 dosyada saklandı. Dosya boyutunu kontrol edin, 6 dosya 115200000 B'dir (ADS1282'nin dönüştürme sonucu LabVIEW programı tarafından ayrıştırılır ve ardından örnek noktalara göre yeniden düzenlenir. Her örnek nokta verisi, 4 B içeriği ve 2 B sembolü ve satır besleme bilgileri dahil olmak üzere 6 B alanı kaplar) , Teorik olarak hesaplanan değer ile uyumludur. Deneysel sonuçlar, dağıtılmış veri toplama sisteminin örnekleme veri iletiminin kararlı ve güvenilir olduğunu kanıtlamaktadır.
Referanslar
Han Xiaoquan. Sismik keşif araçlarının mevcut durumu ve gelişme eğilimi. Jeofizik Ekipman, 2008, 18 (2): 5-6.
Chen Yuping. Sismik keşif araçlarının teknik özellikleri ve geliştirme beklentileri hakkında. Çin Petrol ve Kimya Standartları ve Kalitesi, 2012, 9 (1): 176.
Sen Xuefeng, Wen Yumei. Ethernet Dağıtılmış Veri Toplama Senkronizasyonu ve Gerçek Zamanlı İletim Araştırması. Çin Bilimsel Enstrüman Dergisi, 2006, 27 (4): 385-386.
Geniş bant genişliği operasyonel geçirgenlik yükselticisi. 2013.
Lai Linxiang. GPS'e dayalı uzun kararlı saat araştırması. Xi'an: Xi'an Jiaotong Üniversitesi, 2011.
