专利名称：测控信号转换方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及测控信号传输技术，尤其是一种测控信号转换方法和设备。
背景技术：
测控技术是将自动化系统上的信号加以采集、整理、处理，而后进行显示或者发出控制信号的过程，关键的技术在于信号的获取和处理，在测控技术中以什么形式的信号进行传输以及所选择的传输方式都决定了信息的安全性和准确性。现有传输技术中，通常将测控信号进行采集后转换为电信号后利用电缆传输的方式来传输相关信息，但缺点在于电缆传输对电磁环境和距离非常敏感，在强电磁干扰下存在电磁兼容和安全隐患。而工业现场测控的工作环境特点是设备多处于露天环境，设备之间距离较远 (> 100m)，其间有大量高压、强电磁场、开关和电源杂波分布，位置较为分散，测控信号的传输介质不得不处于强电磁干扰中。因此，由于强电磁干扰环境的影响，现有信号传输技术中的电缆传输电信号的方式是不适合工业测控现场的。
发明内容
本发明的目的是提供一种测控信号转换的方法和设备，克服信号传输的电磁干扰。为此，本发明解决技术问题的技术方案是一种测控信号转换方法，包括采集测控信号；将采集到的测控信号转换为电压信号；将该电压信号转换为数字信号；将该数字信号通过以太网无源光网络EPON协议转换为EPON接入信号。进一步地，所述测控信号包括电流信号、频率信号、脉冲信号中的任意一个或多个；和/或，所述将采集到的测控信号转换为电压信号包括将采集到的测控信号转换为0 到5伏的电压信号。进一步地，当所述测控信号为电流信号时，所述将采集到的测控信号转换为电压信号包括将电流信号转换为连续性电压信号；当所述测控信号为频率信号或脉冲信号时，所述将采集到的测控信号转换为电压信号包括将频率信号或脉冲信号转换为开关量电压信号。进一步地，在所述将该电压信号转换为数字信号之后，通过EPON协议转换为EPON 接入信号之前，将数字信号按照网络传输协议对所述数字信号进行编码并打包生成数据包。进一步地，所述网络传输协议为TCP/UDP/IP协议。本发明还提供一种测控信号转换设备，包括
信号采集模块，用于采集测控信号；第一转换模块，用于将采集到的测控信号转换为电压信号；第二转换模块，用于将该电压信号转换为数字信号；第三转换模块，用于将该数字信号通过EPON协议转换为EPON接入信号。进一步地，所述第一转换模块包括放大器电路、电流/电压转换电路、电阻分压电路、频率/电压转换电路中的一个或多个，其中所述电流/电压转换电路，用于将电流信号转换为连续性电压信号；所述频率/电压转换电路，用于将频率信号转换为电压信号；所述放大器电路，用于将微弱的电压信号放大为0到5伏的电压信号；所述电阻分压电路将大于 5伏的电压信号缩小为0到5伏的电压信号。进一步地，所述第二转换模块包括模数转换A/D电路和/或数字量化DI电路，其中所述A/D电路用于将所述连续性电压信号转换为数字信号；所述DI电路用于将所述开关量电压信号转换为数字信号。进一步地，所述第三转换模块包括网络传输协议模块，用于在所述将该电压信号转换为数字信号之后，通过EPON协议转换为EPON接入信号之前对数字信号进行编码打包生成数据包。进一步地，所述第三转换模块包括EPON协议模块，用于将所述数据包通过EPON协议转换为EPON接入信号。本发明利用EPON技术将测控信号转换为光信号，从而能够抗强电磁干扰，实现了信号传输的快速安全有效，并且避免了工业测控现场电子元件的过多运用易造成故障点增多的情况，使维护难度降低，也最终为基于EPON网络实现测控奠定了基础。
图1为本发明基于EPON网络的测控方法流程图。图2为本发明优选实施例的测控信号转换方法的流程图。图3为本发明基于EPON网络的测控设备结构示意图。图4为本发明优选实施例的测控信号转换设备的结构示意图。图5为本发明的传输模块中冗余度为2的连接方式示意图。图6为本发明基于EPON网络的测控方法的具体实施例流程图。
具体实施例方式以下结合附图，详细描述根据本发明的实施方式。需要指出的是，这些附图仅仅是示意性的，不构成对本发明的保护范围的限定。如图1所示，基于EPON网络的测控方法包括EPON信号转换步骤Si，将测控信号转换为EPON接入信号；信号传输步骤S2，对携带测控信息的信号以一组汇集、转发、分配线路进行EPON 网络传输；控制步骤S3，对被测信号进行分析并生成控制命令信号。图2示出了本发明的EPON信号转换步骤的优选实施例流程图，其中的EPON信号转换步骤Sl包括以下步骤
步骤S11、采集测控信号；步骤S12、将采集到的测控信号转换为电压信号；步骤S13、将该电压信号转换为数字信号；步骤S14、将该数字信号通过以太网无源光网络EPON协议转换为EPON接入信号。本实施例仅描述了上行(输入)时的信号转换方法，下行(输出)时的信号转换方法与上行时相反。另外，如图3，本发明还提供了一种基于EPON网络的测控设备，包括信号转换设备1，用于将测控信号转换为EPON接入信号；传输模块2，用于将携带测控信息的信号以一组汇集、转发、分配线路进行EPON网络传输；以及，控制主机3，用于对被测信号进行分析并生成控制命令信号。图4示出了本发明的信号转换设备1的结构示意图，信号转换设备1包括信号采集模块11，用于采集测控信号；第一转换模块12，用于将采集到的测控信号转换为电压信号；第二转换模块13，用于将该电压信号转换为数字信号；第三转换模块14，用于将该数字信号通过EPON协议转换为EPON接入信号。本实施例仅描述了上行(输入)时信号转换设备执行信号转换方法，可以得出的是信号转换设备在下行(输出)时执行相反的信号转换方法，信号转换设备下行执行过程也与上行时相反，见图3。由于工业测控现场可以包括多种测控类别，比如电力变电站等工业现场，具有多个子系统，视频监控子系统、门禁防子系统、入侵子系统、火灾报警及消防子系统、采暖通风子系统、照明智能控制子系统、智能操作及检修子系统、高压接点运行温度在线监测子系统和防误操作子系统等，产生的信号千差万别，在现有技术中通常利用传感器先将各种信号转换为各种格式的电形式的测量信号，然后再进行归一化转换。本发明中的测控信号是测量信号和控制信号的总称，其中测量信号就是是指不同测量信号源经传感器后所产生的电信号，除特别指出控制信号外，本实施例中测控信号转换描述的是上行(输入)时EPON信号转换步骤和信号转换设备对测量信号的转换，图6为基于EPON网络的测控方法的具体实施例流程图，是以上行方向为例进行的说明。下行方向的箭头与图6的箭头相反，是将控制信号转换为EPON接入信号再逆向进入传输模块，最终到达测控目标。本实施例中第一转换模块12包括放大器电路、电流/电压转换电路、电阻分压电路、频率/电压转换电路中的一个或多个，其中电流/电压转换电路，用于将电流信号转换为连续性电压信号；所述频率/电压转换电路，用于将频率信号转换为电压信号；所述放大器电路，用于将微弱的电压信号放大为0到5伏的电压信号；所述电阻分压电路将大于5伏的电压信号缩小为0到5伏的电压信号。从而将测控信号归一化为0到5V的电压信号。前述各个电路可以根据测量信号源的不同进行任意组合，并且信号采集模块11还可以增加隔离电路、阻抗匹配电路作为抗电磁干扰的辅助电路，另外，由于测控信号种类非常复杂， 第一转换模块12可以针对不同的测控信号增加更多类型的电路，比如调相电路、滤波电路寸。然后第二转换模块13将电压信号转换为数字信号。由于电压信号分为连续性信号和非连续性(开关量)信号，在测控信号转换为电压信号后，将其中的连续性电压信号转换为数字信号，将非连续性电压信号转换为数字信号。第二转换模块13可以利用A/D电路 (模数转换电路)对连续性电压信号进行数字信号转换，利用DI电路(数字量化电路)对开关量电压信号进行数字信号转换。将模拟信号转换为数字信号，才能方便对数字信号进行识别和软件处理，对数字信号进行编码打包从而使信号符合传输协议，相较于模拟信号来说，便于远距离快速传输。第三转换模块14包括网络传输协议模块，中，用于在所述将该电压信号转换为数字信号之后，通过EPON协议转换为EPON接入信号之前在通过EPON协议转换为EPON接入信号之前，将数字信号按照网络传输协议对所述数字信号进行编码并打包生成数据包；在本实施例中优选所述网络传输协议为TCP/UDP/IP协议。在第二转换模块13和第三转换模块14可以利用如型号ARM Cortex-M3的嵌入式内核并集成上述的A/D电路和DI电路来实现数字信号转换，同时加入数字信号压缩算法和 TCP/UDP/IP协议栈，对数字信号进行编码及生成数据包。其中，ARM Cortex-M3是一种基于 ARM7v架构的最新ARM嵌入式内核，它采用哈佛结构，使用分离的指令和数据总线，具有更小的基础内核，价格更低，速度更快。数字信号压缩算法可以将数据量变小，以便快速传输。 有线的TCP/UDP/IP协议栈也可以替换为无线网络协议如蓝牙、WiFi等。所述第三转换模块14还包括EPON协议模块141，用于将数据包通过EPON协议转换为EPON接入信号。EPON(Ethernet Passive Optical Network, liLXM^cM^tMt^ ) ^ PON(Passive Optical Network，无源光网络)技术的一种，以IEEE802. 3ah为标准，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。因此，它综合了 PON技术和以太网技术的优点低成本、高带宽、扩展性强，灵活快速的服务重组，加上现有以太网的兼容性、方便的管理等。上述EPON协议遵循的就是IEEE802. 3ah标准从而将打包的数据转换为带有测控信息的EPON接入信号，该模块包含满足IEEE802. 3ah的印on MAC(网卡)、serdes(并串行与串并行转换器)、线速路由交换机，两个独立用户端口和一个嵌入处理器，还可以进行双向加密、前向纠错、集成数据包缓存。另外在信号转换设备1中还包括提供工作电源的电源模块，该电源模块具有高效率、低静态功耗、浪涌保护的特点。经过以上的信号转换方法，为测控信号在EPON网络中传输奠定了基础。尤其将工业测控现场的测控信号经过本发明的转换方法转换为适于传输的光信号，克服了工业测控现场强电磁的干扰，从而适于远距离的安全无障碍传输。测控信号在转换为EPON接入信号后进入传输模块2进行信号传输步骤S2。传输模块2包括光线路终端0LT、光分路器POS和光网络单元0NU，用于组成汇集、转发、分配的传输线路。基于EPON的传输模块主要由光纤、OLT (光线路终端)、POS (光分路器)、ONU (光网络单元)组成，实现了点到多点通信。其中，光纤用于传输激光信号，OLT(光线路终端) 用于对信号进行汇聚并发送激光信号；ONU(光网络单元)对信号进行分配并传输给用户终端；POS(光分路器)是一个连接OLT(光线路终端)和ONU(光网络单元)的转发设备，可以置于全天候的环境中，将上行(输入)激光信号分发给多个输出端口并通过0NU(光网络单元)将信号发至用户端，使多个用户端能够共用一条光纤，在下行(输出)方向，将多个 ONU(光网络单元)激光信号耦合到一条光纤中。并且OLT(光线路终端)和ONU(光网络单元)都具有将EPON接入信号进行调制产生激光信号并发射的激光器和将激光信号进行解调产生EPON接入信号的接收器。在本发明中，传输模块2采用对称上行和下行的单纤双向光纤，利用波分复用技术(WDM)，实现传输速率1.25(ibit/S。OLT(光线路终端)和ONU(光网络单元)中的激光器优选DFB (分布反馈半导体激光器)，接收器优选运用APD-TIA (雪崩光电二极管和跨阻放大器)，并且，DFB能够以连续模式发射1490nm激光信号，并符合 IEC-60825标准I类激光安全标准。APD-TIA能够以突发模式接收1310nm激光信号。该传输模块2中还包括滤波器集成发射端口(TX)和接收端口(RX)进行滤波，支持超过20dB的动态范围，即系统能够接收的最大信号和最小信号之间的差值范围为20dB。而且在用于连接传输模块中激光器、接收器、光纤的连接器优选SC接口，即卡接式方形接口，当然还可以选用其它连接器，如FC，LC。其中，激光器用于将EPON接入信号调制为激光信号，接收器用于将激光信号解调为EPON接入信号。如图5示出了传输模块中冗余度为2的连接方式示意图，冗余就是重复配置系统的一些部件，当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间。本实施例优选冗余度为2的组网方式，具体结构为传输模块2包括2个光线路终端OLTl和0LT2、2个光分路器POSl和P0S2以及光网络单元，其中所述0LT1、0LT2 均与所述信号转换设备连接，POSU P0S2均与所述控制主机连接，OLTl与POSl连接，0LT2 与P0S2连接。在本发明的传输模块中还包括管理模块21，用于执行确定优选步骤S21和确定次选步骤S22，其中确定优选步骤S21就是确定EPON网络传输中的一组汇集、转发、分配线路作为优选线路。本实施例选择0LT1、P0S1与ONU(光网络单元)的传输线路作为优选线路。 确定次选步骤S22就是确定EPON网络传输中的所述优选线路之外的一组汇集、转发、分配线路作为次选线路，本实施例选择0LT2、P0S2与ONU (光网络单元)的传输线路作为次选线路。进一步地，管理模块21还用于执行容错判断步骤S23，也就是在传输前判断EPON 网络中的所述优选线路是否存在故障，当没有故障时，选择使用优选线路进行传输；当所述优选线路出现故障时，启动次选线路进行传输。该管理模块可以是一种逻辑控制电路，也可以是由相关程序指令的硬件，可以是含有数字信号压缩算法的可读存储介质，比如ROM、RAM等。另外，管理模块21还可以用于报告传输线路的设备故障情况。在现有技术中，通常设置一个OLT (光线路终端)，OLT (光线路终端)上的多个接口分别与多个POS (光分路器)同时相接，而每个POS (光分路器)又分别与多个ONU(光网络单元)相接，一旦传输线路上任一组件出现故障，传输就会中止，尤其是OLT (光线路终端)的故障，更是会影响整个EPON网络的顺利传输。而通过上述双余度的组网方式，实现了传输的可靠性和持续性。正常情况下，管理模块21选择传输信号由OLTl提供，经光纤和POS(光分路器)与0NU1、0NU2、……到ONUn 通讯，0LT2备用。当0LT1、光纤或POS(光分路器)故障时，管理模块21立即发现并启动 0LT2代替OLTl继续通讯。另外，管理模块21用于报告OLTl设备故障，使得对OLTl所在的优选线路上的故障组件进行维修时不停止信号的传输。控制主机3由数据服务器组成，与对应的ONU(光网络单元)连接，集中分析、处理接收到的信息，储存并发出控制命令，将生成的命令信号发至ONU(光网络单元)。在本实施例中，光网络单元ONU可以以嵌入式方式与所述控制主机结合，也可以以独立设置的方式与所述控制主机连接。本发明采用光缆传输数字信号，网络传输环节为全光结构，并通过无源网络交换和汇集，信号传输过程天然抗强电磁干扰，由于无电子元件，故不需供电，适应野外及露天环境，而且同时避免了高低温、潮湿、盐雾等影响。利用EPON网络组成树形拓扑，点对多点的布线结构加强了扩展性，节约光缆。双余度组网结构实现了冗余保护功能，避免了个别组件的故障影响整个网络传输，施工方便， 维护简易。并且，光信号比电信号能够承载更多的信息，效率高和能耗低，非常适于推广。另外，由于本发明中的基于EPON网络的测控是双向通信过程，下行(输出)过程中也具有信号转换步骤和信号传输步骤，在下行(输出)过程中，信号转换设备1中的信号转换及传输模块2中的信号传输也都具有逆向转换和传输的功能，原理与本实施例中的上行过程相同，故本文不再赘述。以上虽然已经详细描述了用于实现本发明的最佳方式，但本发明所属领域的技术人员应该认识到，用于实践本发明的各种替换设计和实施方式均落入所附的权利要求的保护范围之内。
权利要求
1.一种测控信号转换方法，其特征在于，包括 采集测控信号；将采集到的测控信号转换为电压信号； 将该电压信号转换为数字信号；将该数字信号通过以太网无源光网络EPON协议转换为EPON接入信号。
2.根据权利要求1所述的测控信号转换方法，其特征在于，所述测控信号包括电流信号、频率信号、脉冲信号中的任意一个或多个； 和/或，所述将采集到的测控信号转换为电压信号包括将采集到的测控信号转换为0到5伏的电压信号。
3.根据权利要求2所述的测控信号转换方法，其特征在于，当所述测控信号为电流信号时，所述将采集到的测控信号转换为电压信号包括将电流信号转换为连续性电压信号；当所述测控信号为频率信号或脉冲信号时，所述将采集到的测控信号转换为电压信号包括将频率信号或脉冲信号转换为开关量电压信号。
4.根据权利要求1、2或3所述的测控信号转换方法，其特征在于，在所述将该电压信号转换为数字信号之后，通过EPON协议转换为EPON接入信号之前， 将数字信号按照网络传输协议对所述数字信号进行编码并打包生成数据包。
5.根据权利要求4所述的测控信号转换方法，其特征在于， 所述网络传输协议为TCP/UDP/IP协议。
6.一种测控信号转换设备，其特征在于，包括 信号采集模块，用于采集测控信号；第一转换模块，用于将采集到的测控信号转换为电压信号；第二转换模块，用于将该电压信号转换为数字信号；第三转换模块，用于将所述数字信号通过EPON协议转换为EPON接入信号。
7.根据权利要求6所述的测控信号转换设备，其特征在于，所述第一转换模块包括放大器电路、电流/电压转换电路、电阻分压电路、频率/电压转换电路中的一个或多个，其中所述电流/电压转换电路，用于将电流信号转换为连续性电压信号；所述频率/电压转换电路，用于将频率信号转换为开关量电压信号；所述放大器电路，用于将微弱的电压信号放大为0到5伏的电压信号；所述电阻分压电路将大于5伏的电压信号缩小为0到5伏的电压信号。
8.根据权利要求6或7所述的测控信号转换设备，其特征在于，所述第二转换模块包括模数转换A/D电路和/或数字量化DI电路，其中所述A/D电路用于将所述连续性电压信号转换为数字信号；所述DI电路用于将所述开关量电压信号转换为数字信号。
9.根据权利要求6或7所述的测控信号转换设备，其特征在于，所述第三转换模块包括网络传输协议模块，用于在所述将该电压信号转换为数字信号之后，通过EPON协议转换为EPON接入信号之前对数字信号进行编码打包生成数据包。
10.根据权利要求9所述的测控信号转换设备，其特征在于，所述第三转换模块包括EPON协议模块，用于将所述数据包通过EPON协议转换为EPON 接入信号。
全文摘要
本发明提供一种测控信号转换方法和设备，转换方法包括信号采集步骤，将测控信号转换为数字信号和信号接入步骤，将所述数字信号通过EPON协议转换为EPON接入信号。测控信号转换设备包括信号采集模块，用于将测控信号转换为数字信号以及信号转换模块，用于将所述数字信号通过EPON协议转换为EPON接入信号。利用EPON技术将测控信号转换为光信号，从而能够抗强电磁干扰，实现了信号传输的快速安全有效，并且避免了工业测控现场电子元件的过多运用易造成故障点增多的情况，使维护难度降低，也最终为基于EPON网络实现测控奠定了基础。
文档编号H04L29/06GK102594349SQ20111000087
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月5日 优先权日2011年1月5日
发明者刘运科, 尹立 申请人:成都元创测控技术股份有限公司