基于环形菊花链以太网拓扑的分布式数据采集传输系统的制作方法

1.本发明涉及通信和分布式技术领域，具体涉及一种基于环形菊花链以太网拓扑的分布式数据采集传输系统。


背景技术：

2.分布式采集系统应用场景十分广泛，多个采样节点对信号进行采集后将数据汇集到数据汇聚模块，由数据汇聚模块与上位机交互，适用于有长距离采集传输需求的场景。在实际使用过程中，由于传输链路较长且应用场景复杂多变，对传输链路的稳定性和链路的带宽都有较大的要求。传统的分布式采集系统，各个采样节点之间采用串行链路或者其他工业现场总线进行连接，带宽较小，且为保证各采样节点同时采样，系统需要维护一个同步时钟，一般采用专用的硬件线路进行维护，灵活性较低，对于采样节点较多的系统硬件开销较大。传统的分布式采集系统采用线性拓扑，一旦一处链路出现故障，系统将无法正常工作，抗干扰性较差。
3.专利文献cn111143268a公开了一种基于rs-485并行总线的分布式数据采集传输系统通讯方法，分布式数据采集传输系统包括主端设备、与主端设备通过rs-485并行总线通信的多个数模转换装置。此分布式采集系统采用线性拓扑，一旦一处链路出现故障，系统将无法正常工作，抗干扰性较差。
4.专利文献cn111130972a公开了一种基于lvds和rs-485接口的双环路分布式数据采集传输系统，包括汇聚桥接模块，其特征在于，还包括多个节点处理模块和多个数模转换模块；汇聚桥接模块通过扩展的两路lvds接口与多个节点处理模块形成双环路；每个节点处理模块通过rs-485接口挂载多个并行模数转换模块。此分布式采集系统使用lvds接口，灵活性低且带宽小，无法满足某些场景对于大带宽的需求。


技术实现要素：

5.鉴于上述，本发明的目的在于提供一种基于环形菊花链以太网拓扑的分布式数据采集传输系统，该系统的灵活度高、抗干扰性强，且适用场景广泛，能够降低系统硬件开销和硬件维护成本。
6.为实现上述发明目的，实施例提供了一种基于环形菊花链以太网拓扑的分布式数据采集传输系统，包括数据汇聚模块和多个采样节点，其特征在于，
7.所述多个采样节点与数据汇聚模块之间通过双路以太网按照环形菊花链拓扑依次连接；
8.所述采样节点受数据汇聚模块控制进行数据采集并上传至数据汇聚模块；
9.所述数据汇聚模块通过以太网协议实现对多采样节点的采样时钟同步，控制多采样节点的数据采集，在接收上传的采集数据后，通过双路以太网与上位机实现数据的相互备份。
10.在一个实施例中，所述数据汇聚模块外扩四路千兆以太网口，其中，两路网口连接
采样节点，负责控制数据采集，并接收采集数据；两路网口连接上位机，负责相互备份地上传数据汇聚模块处理后的数据。
11.在一个实施例中，所述数据汇聚模块还外扩两路uart，一路用于系统调试，另一路用于连接节点电源以控制采样节点的上电。
12.在一个实施例中，在采集数据之前，所述数据汇聚模块通过双路以太网对采样节点的环形菊花链拓扑链路进行故障检测，在链路正常时，通过数据汇聚模块的同一路网口与每个采样节点进行交互，即发送包含采样时钟的采样命令和采集数据上传网口的配置命令，采样节点接收命令后进行数据采集并发送采集数据至配置的上传网口。
13.在一个实施例中，在采集数据之前，所述数据汇聚模块通过双路以太网对采样节点的环形菊花链拓扑链路进行故障检测，在链路不正常时，根据链路检测回应包判断链路异常位置，然后根据链路异常位置决定通过两路网口与每个采样节点进行交互，即发送从两路网口同时发送包含采样时钟的采样命令和采集数据上传网口的配置命令，采样节点接收命令后进行数据采集并发送采集数据至配置的两路上传网口，使得数据包在链路中传输时不会经过链路异常位置。
14.在一个实施例中，所述数据汇聚模块还对各采样节点上传的采样数据进行异常检测，包括：
15.在接收采样数据包时，判断同一采样时刻下任意两个采样节点上传的采样数据包的序列号之差是否大于设定阈值，当大于设定阈值时，则认为链路异常，从两网口发送停止采样命令并再次进行链路检测以确定链路状态。
16.在一个实施例中，所述以太网通过ieee 1588协议同步各采样点的采样时钟。
17.在一个实施例中，所述采样节点具有数据处理功能，对采集的模拟信号进行滤波、放大和模数转换后，形成采集数据并上传至数据汇聚模块。
18.与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
19.实施例提供的基于环形菊花链以太网拓扑的分布式数据采集传输系统，采用以太网并采用环形菊花链的拓扑形式连接各个模块，灵活性高，使用场景更加广泛。且每个采样节点可通过两路以太网与数据汇聚模块交互，一旦出现链路故障，节点仍可以正常采样并通过相应网口上传数据，增强了系统的抗干扰性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
21.图1是实施例提供的基于环形菊花链以太网拓扑的分布式数据采集传输系统的结构示意图；
22.图2是实施例提供的数据汇聚模块的工作流程示意图。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本
发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
24.为解决现有分布式数据采集传输系统灵活度低、抗干扰性差、使用场景单一等问题，进而导致的系统硬件开销和硬件维护成本高的问题。实施例提供了基于环形菊花链以太网拓扑的分布式数据采集传输系统。
25.图1是实施例提供的基于环形菊花链以太网拓扑的分布式数据采集传输系统的结构示意图。如图1所示，实施例提供的分布式数据采集传输系统包括数据汇聚模块和多个采样节点，各个采集数据的节点与数据汇聚模块之间通过以太网按照环形菊花链拓扑依次连接。
26.实施例中，每个采样节点外扩两路千兆以太网口，各采样节点依次连接并以环形菊花链的方式与数据汇聚模块相连，每个采样节点都可通过两个网口完成与数据汇聚模块交互。采样节点用于数据采集，且还具有数据处理功能，对采集的模拟信号进行滤波、放大和模数转换后，得到的数字信号通过以太网协议组成网络包上传至数据汇聚模块。
27.实施例中，数据汇聚模块外扩四路千兆以太网口，其中，两路网口连接采样节点，负责控制数据采集，并接收采集数据。另外两路网口连接上位机，负责上传数据汇聚模块处理后的数据，且两路网口互为备份，增强了稳定性。数据汇聚模块还外扩了两路uart，一路uart可连调试pc便于调试数据汇聚模块功能；另一路uart与采样节点的电源模块交互，可控制电源的开关，以控制采样节点的上电与断电。
28.实施例中，数据汇聚模块通过以太网协议实现对多采样节点的采样时钟同步，控制多采样节点的数据采集，在接收上传的采集数据后，对数据包进行整理分析后通过双路以太网与上位机实现数据的相互备份。
29.图2是实施例提供的数据汇聚模块的工作流程示意图。如图2所示，数据汇聚模块控制采样节点的数据采集流程包括：
30.s101，控制采样节点上电。
31.实施例中，数据汇聚模块通过uart向采样节点的电源模块发送上电命令，控制各采样节点上电启动。
32.s101，链路检测并同步采样时钟。
33.在采用节点开始采样前，数据汇聚模块需要根据各采样节点的链路连接状态配置采样节点的数据包上传方向，故需要通过双路以太网对采样节点的环形菊花链拓扑链路进行故障检测，具体地，分别从两个网口发送链路检测包，再通过链路检测的回应包可以判断链路是否异常。若两个网口都可以收到所有采样节点的回应包，则链路正常；反之则链路异常。
34.s103，链路正常时采样节点均从同一网口上传数据。
35.当链路正常时，数据汇聚模块配置所有采样节点的上传数据包方向均为同一网口，例如如图1所示的左网口，则从左网口发送开始采样命令与同步采样时钟包，此时另一网口(例如右网口)仅作为备份，数据汇聚模块仅通过左网口完成与各节点交互，采样节点接收命令后进行数据采集并发送采集数据至配置的左网口。
36.s104，链路检测不正常时，修正时钟。
37.实施例中，当链路异常时，根据链路状态从相应网口依次修正各个采样节点的时
钟，以保证各采样节点时钟同步，可在同一时刻开始采样数据。
38.实施例中，通过以太网可利用ieee 1588协议修正各采样节点的时钟，保证各个节点同步采样。且千兆以太网具有较大的带宽，此实施例中最大带宽可达到200mbps，使用以太网可满足带宽要求。
39.s105，链路检测不正常时，根据链路状态配置各采样节点上传数据的方向。
40.当链路异常时，数据汇聚模块根据链路异常位置决定各个采样节点上传数据包的方向，使得数据包在链路中传输时不会经过链路异常位置。具体地，数据汇聚模块从两路网口(图1所示的左右网口)配置各个采样节点上传数据方向，再从两网口同时发送开始采样命令，此时左右网口都需要与采样节点交互。采样节点接收命令后进行数据采集并发送采集数据至配置的两路上传网口。
41.s106，检测到有上传数据异常。
42.实施例中，数据汇聚模块还对各采样节点上传的采样数据进行异常检测。在各采样节点进行采样并上传数据时，每个采样节点上传的数据包中都有递增的序列号。所有采样节点同时开始采样，且由于时钟同步机制，之后每次采样的时间也应是一致的，故理想状态下数据汇聚模块同一时刻收到的各个采样节点的网络包应为同一个序列号。考虑到实际链路中各采样节点与数据汇聚模块的相对位置不同，设置阈值。在上传的采样数据进行异常检测时，判断同一采样时刻下任意两个采样节点上传的采样数据包的序列号之差是否大于设定阈值，当大于设定阈值时，则认为链路异常，从两网口发送停止采样命令并再次进行链路检测以确定链路状态。
43.上述实施例提供的分布式数据采集传输系统，采用基于环形菊花链以太网拓扑组织，由于以太网具有带宽大、传输速度快、架设方便、价格低廉等优点，将其用于分布式采集系统可降低系统成本、提高稳定性。
44.上述实施例提供的分布式数据采集传输系统，采用采用基于环形菊花链以太网拓扑组织，由于环形菊花链拓扑具有较强的鲁棒性，当某一处链路出现故障断开时，所有采样节点仍能完成正常的采样和数据上传，可以解决传统线性连接系统一旦一处链路故障，可能会导致大量采样节点与数据模块失去连接，无法上传数据的问题，极大地增强了系统的鲁棒性。
45.以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。