測控信號轉換方法和設備的製作方法
2023-06-06 14:34:16
專利名稱：測控信號轉換方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及測控信號傳輸技術，尤其是一種測控信號轉換方法和設備。
背景技術：
測控技術是將自動化系統上的信號加以採集、整理、處理，而後進行顯示或者發出控制信號的過程，關鍵的技術在於信號的獲取和處理，在測控技術中以什麼形式的信號進行傳輸以及所選擇的傳輸方式都決定了信息的安全性和準確性。現有傳輸技術中，通常將測控信號進行採集後轉換為電信號後利用電纜傳輸的方式來傳輸相關信息，但缺點在於電纜傳輸對電磁環境和距離非常敏感，在強電磁幹擾下存在電磁兼容和安全隱患。而工業現場測控的工作環境特點是設備多處於露天環境，設備之間距離較遠 (> 100m)，其間有大量高壓、強電磁場、開關和電源雜波分布，位置較為分散，測控信號的傳輸介質不得不處於強電磁幹擾中。因此，由於強電磁幹擾環境的影響，現有信號傳輸技術中的電纜傳輸電信號的方式是不適合工業測控現場的。
發明內容
本發明的目的是提供一種測控信號轉換的方法和設備，克服信號傳輸的電磁幹擾。為此，本發明解決技術問題的技術方案是一種測控信號轉換方法，包括採集測控信號；將採集到的測控信號轉換為電壓信號；將該電壓信號轉換為數位訊號；將該數位訊號通過乙太網無源光網絡EPON協議轉換為EPON接入信號。進一步地，所述測控信號包括電流信號、頻率信號、脈衝信號中的任意一個或多個；和/或，所述將採集到的測控信號轉換為電壓信號包括將採集到的測控信號轉換為0 到5伏的電壓信號。進一步地，當所述測控信號為電流信號時，所述將採集到的測控信號轉換為電壓信號包括將電流信號轉換為連續性電壓信號；當所述測控信號為頻率信號或脈衝信號時，所述將採集到的測控信號轉換為電壓信號包括將頻率信號或脈衝信號轉換為開關量電壓信號。進一步地，在所述將該電壓信號轉換為數位訊號之後，通過EPON協議轉換為EPON 接入信號之前，將數位訊號按照網絡傳輸協議對所述數位訊號進行編碼並打包生成數據包。進一步地，所述網絡傳輸協議為TCP/UDP/IP協議。本發明還提供一種測控信號轉換設備，包括
信號採集模塊，用於採集測控信號；第一轉換模塊，用於將採集到的測控信號轉換為電壓信號；第二轉換模塊，用於將該電壓信號轉換為數位訊號；第三轉換模塊，用於將該數位訊號通過EPON協議轉換為EPON接入信號。進一步地，所述第一轉換模塊包括放大器電路、電流/電壓轉換電路、電阻分壓電路、頻率/電壓轉換電路中的一個或多個，其中所述電流/電壓轉換電路，用於將電流信號轉換為連續性電壓信號；所述頻率/電壓轉換電路，用於將頻率信號轉換為電壓信號；所述放大器電路，用於將微弱的電壓信號放大為0到5伏的電壓信號；所述電阻分壓電路將大於 5伏的電壓信號縮小為0到5伏的電壓信號。進一步地，所述第二轉換模塊包括模數轉換A/D電路和/或數字量化DI電路，其中所述A/D電路用於將所述連續性電壓信號轉換為數位訊號；所述DI電路用於將所述開關量電壓信號轉換為數位訊號。進一步地，所述第三轉換模塊包括網絡傳輸協議模塊，用於在所述將該電壓信號轉換為數位訊號之後，通過EPON協議轉換為EPON接入信號之前對數位訊號進行編碼打包生成數據包。進一步地，所述第三轉換模塊包括EPON協議模塊，用於將所述數據包通過EPON協議轉換為EPON接入信號。本發明利用EPON技術將測控信號轉換為光信號，從而能夠抗強電磁幹擾，實現了信號傳輸的快速安全有效，並且避免了工業測控現場電子元件的過多運用易造成故障點增多的情況，使維護難度降低，也最終為基於EPON網絡實現測控奠定了基礎。
圖1為本發明基於EPON網絡的測控方法流程圖。圖2為本發明優選實施例的測控信號轉換方法的流程圖。圖3為本發明基於EPON網絡的測控設備結構示意圖。圖4為本發明優選實施例的測控信號轉換設備的結構示意圖。圖5為本發明的傳輸模塊中冗餘度為2的連接方式示意圖。圖6為本發明基於EPON網絡的測控方法的具體實施例流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖，詳細描述根據本發明的實施方式。需要指出的是，這些附圖僅僅是示意性的，不構成對本發明的保護範圍的限定。如圖1所示，基於EPON網絡的測控方法包括EPON信號轉換步驟Si，將測控信號轉換為EPON接入信號；信號傳輸步驟S2，對攜帶測控信息的信號以一組匯集、轉發、分配線路進行EPON 網絡傳輸；控制步驟S3，對被測信號進行分析並生成控制命令信號。圖2示出了本發明的EPON信號轉換步驟的優選實施例流程圖，其中的EPON信號轉換步驟Sl包括以下步驟
步驟S11、採集測控信號；步驟S12、將採集到的測控信號轉換為電壓信號；步驟S13、將該電壓信號轉換為數位訊號；步驟S14、將該數位訊號通過乙太網無源光網絡EPON協議轉換為EPON接入信號。本實施例僅描述了上行(輸入)時的信號轉換方法，下行(輸出)時的信號轉換方法與上行時相反。另外，如圖3，本發明還提供了一種基於EPON網絡的測控設備，包括信號轉換設備1，用於將測控信號轉換為EPON接入信號；傳輸模塊2，用於將攜帶測控信息的信號以一組匯集、轉發、分配線路進行EPON網絡傳輸；以及，控制主機3，用於對被測信號進行分析並生成控制命令信號。圖4示出了本發明的信號轉換設備1的結構示意圖，信號轉換設備1包括信號採集模塊11，用於採集測控信號；第一轉換模塊12，用於將採集到的測控信號轉換為電壓信號；第二轉換模塊13，用於將該電壓信號轉換為數位訊號；第三轉換模塊14，用於將該數位訊號通過EPON協議轉換為EPON接入信號。本實施例僅描述了上行(輸入)時信號轉換設備執行信號轉換方法，可以得出的是信號轉換設備在下行(輸出)時執行相反的信號轉換方法，信號轉換設備下行執行過程也與上行時相反，見圖3。由於工業測控現場可以包括多種測控類別，比如電力變電站等工業現場，具有多個子系統，視頻監控子系統、門禁防子系統、入侵子系統、火災報警及消防子系統、採暖通風子系統、照明智能控制子系統、智能操作及檢修子系統、高壓接點運行溫度在線監測子系統和防誤操作子系統等，產生的信號千差萬別，在現有技術中通常利用傳感器先將各種信號轉換為各種格式的電形式的測量信號，然後再進行歸一化轉換。本發明中的測控信號是測量信號和控制信號的總稱，其中測量信號就是是指不同測量信號源經傳感器後所產生的電信號，除特別指出控制信號外，本實施例中測控信號轉換描述的是上行(輸入)時EPON信號轉換步驟和信號轉換設備對測量信號的轉換，圖6為基於EPON網絡的測控方法的具體實施例流程圖，是以上行方向為例進行的說明。下行方向的箭頭與圖6的箭頭相反，是將控制信號轉換為EPON接入信號再逆向進入傳輸模塊，最終到達測控目標。本實施例中第一轉換模塊12包括放大器電路、電流/電壓轉換電路、電阻分壓電路、頻率/電壓轉換電路中的一個或多個，其中電流/電壓轉換電路，用於將電流信號轉換為連續性電壓信號；所述頻率/電壓轉換電路，用於將頻率信號轉換為電壓信號；所述放大器電路，用於將微弱的電壓信號放大為0到5伏的電壓信號；所述電阻分壓電路將大於5伏的電壓信號縮小為0到5伏的電壓信號。從而將測控信號歸一化為0到5V的電壓信號。前述各個電路可以根據測量信號源的不同進行任意組合，並且信號採集模塊11還可以增加隔離電路、阻抗匹配電路作為抗電磁幹擾的輔助電路，另外，由於測控信號種類非常複雜， 第一轉換模塊12可以針對不同的測控信號增加更多類型的電路，比如調相電路、濾波電路寸。然後第二轉換模塊13將電壓信號轉換為數位訊號。由於電壓信號分為連續性信號和非連續性(開關量)信號，在測控信號轉換為電壓信號後，將其中的連續性電壓信號轉換為數位訊號，將非連續性電壓信號轉換為數位訊號。第二轉換模塊13可以利用A/D電路 (模數轉換電路)對連續性電壓信號進行數位訊號轉換，利用DI電路(數字量化電路)對開關量電壓信號進行數位訊號轉換。將模擬信號轉換為數位訊號，才能方便對數位訊號進行識別和軟體處理，對數位訊號進行編碼打包從而使信號符合傳輸協議，相較於模擬信號來說，便於遠距離快速傳輸。第三轉換模塊14包括網絡傳輸協議模塊，中，用於在所述將該電壓信號轉換為數位訊號之後，通過EPON協議轉換為EPON接入信號之前在通過EPON協議轉換為EPON接入信號之前，將數位訊號按照網絡傳輸協議對所述數位訊號進行編碼並打包生成數據包；在本實施例中優選所述網絡傳輸協議為TCP/UDP/IP協議。在第二轉換模塊13和第三轉換模塊14可以利用如型號ARM Cortex-M3的嵌入式內核併集成上述的A/D電路和DI電路來實現數位訊號轉換，同時加入數位訊號壓縮算法和 TCP/UDP/IP協議棧，對數位訊號進行編碼及生成數據包。其中，ARM Cortex-M3是一種基於 ARM7v架構的最新ARM嵌入式內核，它採用哈佛結構，使用分離的指令和數據總線，具有更小的基礎內核，價格更低，速度更快。數位訊號壓縮算法可以將數據量變小，以便快速傳輸。 有線的TCP/UDP/IP協議棧也可以替換為無線網絡協議如藍牙、WiFi等。所述第三轉換模塊14還包括EPON協議模塊141，用於將數據包通過EPON協議轉換為EPON接入信號。EPON(Ethernet Passive Optical Network, liLXM^cM^tMt^ ) ^ PON(Passive Optical Network，無源光網絡)技術的一種，以IEEE802. 3ah為標準，在鏈路層使用乙太網協議，利用PON的拓撲結構實現了乙太網的接入。因此，它綜合了 PON技術和乙太網技術的優點低成本、高帶寬、擴展性強，靈活快速的服務重組，加上現有乙太網的兼容性、方便的管理等。上述EPON協議遵循的就是IEEE802. 3ah標準從而將打包的數據轉換為帶有測控信息的EPON接入信號，該模塊包含滿足IEEE802. 3ah的印on MAC(網卡)、serdes(並串行與串並行轉換器)、線速路由交換機，兩個獨立用戶埠和一個嵌入處理器，還可以進行雙向加密、前向糾錯、集成數據包緩存。另外在信號轉換設備1中還包括提供工作電源的電源模塊，該電源模塊具有高效率、低靜態功耗、浪湧保護的特點。經過以上的信號轉換方法，為測控信號在EPON網絡中傳輸奠定了基礎。尤其將工業測控現場的測控信號經過本發明的轉換方法轉換為適於傳輸的光信號，克服了工業測控現場強電磁的幹擾，從而適於遠距離的安全無障礙傳輸。測控信號在轉換為EPON接入信號後進入傳輸模塊2進行信號傳輸步驟S2。傳輸模塊2包括光線路終端0LT、光分路器POS和光網絡單元0NU，用於組成匯集、轉發、分配的傳輸線路。基於EPON的傳輸模塊主要由光纖、OLT (光線路終端)、POS (光分路器)、ONU (光網絡單元)組成，實現了點到多點通信。其中，光纖用於傳輸雷射信號，OLT(光線路終端) 用於對信號進行匯聚並發送雷射信號；ONU(光網絡單元)對信號進行分配並傳輸給用戶終端；POS(光分路器)是一個連接OLT(光線路終端)和ONU(光網絡單元)的轉發設備，可以置於全天候的環境中，將上行(輸入)雷射信號分發給多個輸出埠並通過0NU(光網絡單元)將信號發至用戶端，使多個用戶端能夠共用一條光纖，在下行(輸出)方向，將多個 ONU(光網絡單元)雷射信號耦合到一條光纖中。並且OLT(光線路終端)和ONU(光網絡單元)都具有將EPON接入信號進行調製產生雷射信號並發射的雷射器和將雷射信號進行解調產生EPON接入信號的接收器。在本發明中，傳輸模塊2採用對稱上行和下行的單纖雙向光纖，利用波分復用技術(WDM)，實現傳輸速率1.25(ibit/S。OLT(光線路終端)和ONU(光網絡單元)中的雷射器優選DFB (分布反饋半導體雷射器)，接收器優選運用APD-TIA (雪崩光電二極體和跨阻放大器)，並且，DFB能夠以連續模式發射1490nm雷射信號，並符合 IEC-60825標準I類雷射安全標準。APD-TIA能夠以突發模式接收1310nm雷射信號。該傳輸模塊2中還包括濾波器集成發射埠(TX)和接收埠(RX)進行濾波，支持超過20dB的動態範圍，即系統能夠接收的最大信號和最小信號之間的差值範圍為20dB。而且在用於連接傳輸模塊中雷射器、接收器、光纖的連接器優選SC接口，即卡接式方形接口，當然還可以選用其它連接器，如FC，LC。其中，雷射器用於將EPON接入信號調製為雷射信號，接收器用於將雷射信號解調為EPON接入信號。如圖5示出了傳輸模塊中冗餘度為2的連接方式示意圖，冗餘就是重複配置系統的一些部件，當系統發生故障時，冗餘配置的部件介入並承擔故障部件的工作，由此減少系統的故障時間。本實施例優選冗餘度為2的組網方式，具體結構為傳輸模塊2包括2個光線路終端OLTl和0LT2、2個光分路器POSl和P0S2以及光網絡單元，其中所述0LT1、0LT2 均與所述信號轉換設備連接，POSU P0S2均與所述控制主機連接，OLTl與POSl連接，0LT2 與P0S2連接。在本發明的傳輸模塊中還包括管理模塊21，用於執行確定優選步驟S21和確定次選步驟S22，其中確定優選步驟S21就是確定EPON網絡傳輸中的一組匯集、轉發、分配線路作為優選線路。本實施例選擇0LT1、P0S1與ONU(光網絡單元)的傳輸線路作為優選線路。 確定次選步驟S22就是確定EPON網絡傳輸中的所述優選線路之外的一組匯集、轉發、分配線路作為次選線路，本實施例選擇0LT2、P0S2與ONU (光網絡單元)的傳輸線路作為次選線路。進一步地，管理模塊21還用於執行容錯判斷步驟S23，也就是在傳輸前判斷EPON 網絡中的所述優選線路是否存在故障，當沒有故障時，選擇使用優選線路進行傳輸；當所述優選線路出現故障時，啟動次選線路進行傳輸。該管理模塊可以是一種邏輯控制電路，也可以是由相關程序指令的硬體，可以是含有數位訊號壓縮算法的可讀存儲介質，比如ROM、RAM等。另外，管理模塊21還可以用於報告傳輸線路的設備故障情況。在現有技術中，通常設置一個OLT (光線路終端)，OLT (光線路終端)上的多個接口分別與多個POS (光分路器)同時相接，而每個POS (光分路器)又分別與多個ONU(光網絡單元)相接，一旦傳輸線路上任一組件出現故障，傳輸就會中止，尤其是OLT (光線路終端)的故障，更是會影響整個EPON網絡的順利傳輸。而通過上述雙餘度的組網方式，實現了傳輸的可靠性和持續性。正常情況下，管理模塊21選擇傳輸信號由OLTl提供，經光纖和POS(光分路器)與0NU1、0NU2、……到ONUn 通訊，0LT2備用。當0LT1、光纖或POS(光分路器)故障時，管理模塊21立即發現並啟動 0LT2代替OLTl繼續通訊。另外，管理模塊21用於報告OLTl設備故障，使得對OLTl所在的優選線路上的故障組件進行維修時不停止信號的傳輸。控制主機3由數據伺服器組成，與對應的ONU(光網絡單元)連接，集中分析、處理接收到的信息，儲存並發出控制命令，將生成的命令信號發至ONU(光網絡單元)。在本實施例中，光網絡單元ONU可以以嵌入式方式與所述控制主機結合，也可以以獨立設置的方式與所述控制主機連接。本發明採用光纜傳輸數位訊號，網絡傳輸環節為全光結構，並通過無源網絡交換和匯集，信號傳輸過程天然抗強電磁幹擾，由於無電子元件，故不需供電，適應野外及露天環境，而且同時避免了高低溫、潮溼、鹽霧等影響。利用EPON網絡組成樹形拓撲，點對多點的布線結構加強了擴展性，節約光纜。雙餘度組網結構實現了冗餘保護功能，避免了個別組件的故障影響整個網絡傳輸，施工方便， 維護簡易。並且，光信號比電信號能夠承載更多的信息，效率高和能耗低，非常適於推廣。另外，由於本發明中的基於EPON網絡的測控是雙向通信過程，下行(輸出)過程中也具有信號轉換步驟和信號傳輸步驟，在下行(輸出)過程中，信號轉換設備1中的信號轉換及傳輸模塊2中的信號傳輸也都具有逆向轉換和傳輸的功能，原理與本實施例中的上行過程相同，故本文不再贅述。以上雖然已經詳細描述了用於實現本發明的最佳方式，但本發明所屬領域的技術人員應該認識到，用於實踐本發明的各種替換設計和實施方式均落入所附的權利要求的保護範圍之內。
權利要求
1.一種測控信號轉換方法，其特徵在於，包括 採集測控信號；將採集到的測控信號轉換為電壓信號； 將該電壓信號轉換為數位訊號；將該數位訊號通過乙太網無源光網絡EPON協議轉換為EPON接入信號。
2.根據權利要求1所述的測控信號轉換方法，其特徵在於，所述測控信號包括電流信號、頻率信號、脈衝信號中的任意一個或多個； 和/或，所述將採集到的測控信號轉換為電壓信號包括將採集到的測控信號轉換為0到5伏的電壓信號。
3.根據權利要求2所述的測控信號轉換方法，其特徵在於，當所述測控信號為電流信號時，所述將採集到的測控信號轉換為電壓信號包括將電流信號轉換為連續性電壓信號；當所述測控信號為頻率信號或脈衝信號時，所述將採集到的測控信號轉換為電壓信號包括將頻率信號或脈衝信號轉換為開關量電壓信號。
4.根據權利要求1、2或3所述的測控信號轉換方法，其特徵在於，在所述將該電壓信號轉換為數位訊號之後，通過EPON協議轉換為EPON接入信號之前， 將數位訊號按照網絡傳輸協議對所述數位訊號進行編碼並打包生成數據包。
5.根據權利要求4所述的測控信號轉換方法，其特徵在於， 所述網絡傳輸協議為TCP/UDP/IP協議。
6.一種測控信號轉換設備，其特徵在於，包括 信號採集模塊，用於採集測控信號；第一轉換模塊，用於將採集到的測控信號轉換為電壓信號；第二轉換模塊，用於將該電壓信號轉換為數位訊號；第三轉換模塊，用於將所述數位訊號通過EPON協議轉換為EPON接入信號。
7.根據權利要求6所述的測控信號轉換設備，其特徵在於，所述第一轉換模塊包括放大器電路、電流/電壓轉換電路、電阻分壓電路、頻率/電壓轉換電路中的一個或多個，其中所述電流/電壓轉換電路，用於將電流信號轉換為連續性電壓信號；所述頻率/電壓轉換電路，用於將頻率信號轉換為開關量電壓信號；所述放大器電路，用於將微弱的電壓信號放大為0到5伏的電壓信號；所述電阻分壓電路將大於5伏的電壓信號縮小為0到5伏的電壓信號。
8.根據權利要求6或7所述的測控信號轉換設備，其特徵在於，所述第二轉換模塊包括模數轉換A/D電路和/或數字量化DI電路，其中所述A/D電路用於將所述連續性電壓信號轉換為數位訊號；所述DI電路用於將所述開關量電壓信號轉換為數位訊號。
9.根據權利要求6或7所述的測控信號轉換設備，其特徵在於，所述第三轉換模塊包括網絡傳輸協議模塊，用於在所述將該電壓信號轉換為數位訊號之後，通過EPON協議轉換為EPON接入信號之前對數位訊號進行編碼打包生成數據包。
10.根據權利要求9所述的測控信號轉換設備，其特徵在於，所述第三轉換模塊包括EPON協議模塊，用於將所述數據包通過EPON協議轉換為EPON 接入信號。
全文摘要
本發明提供一種測控信號轉換方法和設備，轉換方法包括信號採集步驟，將測控信號轉換為數位訊號和信號接入步驟，將所述數位訊號通過EPON協議轉換為EPON接入信號。測控信號轉換設備包括信號採集模塊，用於將測控信號轉換為數位訊號以及信號轉換模塊，用於將所述數位訊號通過EPON協議轉換為EPON接入信號。利用EPON技術將測控信號轉換為光信號，從而能夠抗強電磁幹擾，實現了信號傳輸的快速安全有效，並且避免了工業測控現場電子元件的過多運用易造成故障點增多的情況，使維護難度降低，也最終為基於EPON網絡實現測控奠定了基礎。
文檔編號H04L29/06GK102594349SQ20111000087
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月5日 優先權日2011年1月5日
發明者劉運科, 尹立 申請人:成都元創測控技術股份有限公司