一种串联式渔用拖网监视数据传输系统及方法
阅读：895发布：2020-05-12
专利汇可以提供一种串联式渔用拖网监视数据传输系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 串联 式渔用 拖网 监视数据传输系统，包括传输 电缆 和数据终端，传输电缆上间隔设置有若干个用于传输数据 信号 的传输包，每一个传输包均电连接有 传感器 并接收传感器采集的数据，相邻的传输包之间通过双绞线电连接进行 信号传输 交互，本发明还公开了一种串联式渔用拖网监视数据传输方法，包括：数据终端发出命令至传输包组中的多个传输包；位于起始端的传输包在收到命令将命令分成两路，一路直接下传至下方的传输包，另一路进行 串并转换 后解析；传输包在收到命令后在每个 采样 周期发送数据，并反馈至数据终端，有效的提高了共模移植的能 力 ，提高噪声容限，并有效解决背景技术中的问题。，下面是一种串联式渔用拖网监视数据传输系统及方法专利的具体信息内容。
1.一种串联式渔用拖网监视数据传输系统，其特征在于，包括传输电缆和数据终端，所述传输电缆上间隔设置有若干个用于传输数据信号的传输包，每一个传输包均电连接有传感器并接收所述传感器采集的数据，相邻的所述传输包之间通过双绞线电连接进行信号传输交互。
2.如权利要求1所述的一种串联式渔用拖网监视数据传输系统，其特征在于，每一个所述传输包和对应的所述传感器之间通过通用异步收发传感器UART进行信号传输。
3.如权利要求1所述的一种串联式渔用拖网监视数据传输系统，其特征在于，所述双绞线为差分式的LVDS双绞线，所述传输电缆采用广播式传输方式进行指令传输。
4.如权利要求2所述的一种串联式渔用拖网监视数据传输系统，其特征在于，所述传输电缆通过RS485协议将命令传输到每一个所述传输包，每一个传输包传输命令时都分成两路，其中一路直接下传到下一个所述传输包，另外一路进行串并转换之后进行解析。
5.如权利要求1所述的一种串联式渔用拖网监视数据传输系统，其特征在于，所述传输包上均设置有时钟晶振，每一个所述传输包在收到第一个传输包发送的命令之后再上传数据至数据终端。
6.如权利要求2所述的一种串联式渔用拖网监视数据传输系统，其特征在于，所述传输包包括FPGA控制器、RS-485驱动、LVDS驱动、LVDS均衡电路，所述FPGA控制器通过和RS-485驱动电连接输入和输出指令，所述FPGA控制器依次电连接LVDS驱动、均衡电路来输入数据，所述FPGA控制器输出端依次电连接LVDS驱动、LVDS发送用以传输数据。
7.一种串联式渔用拖网监视数据传输方法，其特征在于，包括：
数据终端发出命令至传输包组中的多个传输包；
位于起始端的传输包在收到命令将命令分成两路，一路直接下传至下方的传输包，另一路进行串并转换后解析；
所述传输包在收到命令后在每个采样周期发送数据，并反馈至数据终端。
8.根据权利要求7所述的一种串联式渔用拖网监视数据传输方法，其特征在于，所述传输包组的传输包之间通过双绞线串联，所述双绞线采用LVDS双绞线。
9.根据权利要求7所述的一种串联式渔用拖网监视数据传输方法，其特征在于，还包括在每次开始工作时，位于起始端的传输包首先向下级发送一个可控制传输包的使能数量的配置包号命令，所述配置包号命令经过每个包的解析，使得每个包都配置完自身的包号后将命令中的包号加以下传，当某一包发现自身包号和传输包个数相等时，就切断与下级传输包的联系，并将自身设置为尾包。
10.根据权利要求7所述的一种串联式渔用拖网监视数据传输方法，其特征在于，在每个采样周期，位于起始端的传输包都向下发一个同步命令，每个传输包的传输板都在接收到该同步命令后发送数据。
一种串联式渔用拖网监视数据传输系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及海洋渔业捕捞技术领域，具体而言，本发明涉及一种串联式渔用拖网监视数据传输系统及方法。
背景技术
[0002] 拖网渔船再捕捞作业过程中，为了实现更高的捕捞效率，采用几十米到几百米总长不等的拖网，并且需要网口在不同作业工况下尽量张大。通常情况下，采用网位仪、网情仪，测深传感器、拉力传感器、渔获物探测传感器等对作业过程中的渔网形状、网口大小、受力、深度、渔获物的情况进行实时测量，并将传感器和仪器测量结果实时传回渔船，供渔船通过运行状态改变来调整水下作业拖网的状态。
[0003] 拖网渔船网上搭载仪器采用无线和有线两种输数方式，其中采用无线水下传输一般使用水声信号作为传输载体，受到水声信道的限制，传输速率降低。另一种采用有线电缆进行数据传输，信号受到干扰，并由于传输距离的增加信号衰弱明显，不具有多路复工的功能。
发明内容
[0004] 为了寻找更为有效的实现方案，本发明提供了一种串联式渔用拖网监视数据传输系统及方法，可以有效的提高共模移植的能力，提高噪声容限，并可用比较经济的电缆达到高速传输的目的，有效解决背景技术中的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明公开了一种串联式渔用拖网监视数据传输系统，包括传输电缆和数据终端，所述传输电缆上间隔设置有若干个用于传输数据信号的传输包，每一个传输包均电连接有传感器并接收所述传感器采集的数据，相邻的所述传输包之间通过双绞线电连接进行信号传输交互，所述。
[0006] 优选地，每一个所述传输包和对应的所述传感器之间通过通用异步收发传感器UART进行信号传输。
[0007] 优选地，所述双绞线为差分式的LVDS双绞线，所述传输电缆采用广播式传输方式进行指令传输。
[0008] 优选地，所述传输电缆通过RS485协议将命令传输到每一个所述传输包，每一个传输包传输命令时都分成两路，其中一路直接下传到下一个所述传输包，另外一路进行串并转换之后进行解析。
[0009] 优选地，所述传输包上均设置有时钟晶振，每一个所述传输包在收到第一个传输包发送的命令之后再上传数据至数据终端。
[0010] 优选地，所述传输包包括FPGA控制器、RS-485驱动、LVDS驱动、 LVDS均衡电路，所述FPGA控制器通过和RS-485驱动电连接输入和输出指令，所述FPGA控制器依次电连接LVDS驱动、均衡电路来输入数据，所述FPGA控制器输出端依次电连接LVDS驱动、LVDS发送用以传输数据。
[0011] 本发明还公开了一种串联式渔用拖网监视数据传输方法，包括：
[0012] 数据终端发出命令至传输包组中的多个传输包；
[0013] 位于起始端的传输包在收到命令将命令分成两路，一路直接下传至下方的传输包，另一路进行串并转换后解析；
[0014] 所述传输包在收到命令后在每个采样周期发送数据，并反馈至数据终端。
[0015] 优选地，所述传输包组的传输包之间通过双绞线串联，所述双绞线采用LVDS双绞线。
[0016] 优选地，还包括在每次开始工作时，位于起始端的传输包首先向下级发送一个可控制传输包的使能数量的配置包号命令，所述配置包号命令经过每个包的解析，使得每个包都配置完自身的包号后将命令中的包号加以下传，当某一包发现自身包号和传输包个数相等时，就切断与下级传输包的联系，并将自身设置为尾包。
[0017] 优选地，在每个采样周期，位于起始端的传输包都向下发一个同步命令，每个传输包的传输板都在接收到该同步命令后发送数据。
[0018] 与现有技术相比，本发明的一种串联式渔用拖网监视数据传输系统及方法具有如下有益效果：
[0019] 本发明可以有效的提高共模抑制的能力，提高噪声容限，并可用进行多路复用，可以扩展多个传感器和测量仪器，为这些仪器提供一个共用的数据传输通道，有效的扩展了拖网监测传感器搭载的数量和传输的信号带宽，
[0021] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0022] 图1为本发明的数据传输系统工作示意图；
[0023] 图2为本发明命令流水线示意图；
[0024] 图3为本发明流水线型数据通道示意图；
[0025] 图4为本发明的头包传输数据波形时序图；
[0027] 图6为本发明FPGA内部逻辑示意图；
[0028] 图7为本发明的FPGA加载电路示意图；
[0029] 图8为本发明的FPGA的JTAG配置连接的示意图；
[0030] 图9为本发明的DS90LV019接线示意图；
[0031] 图10为本发明的未加均衡电路的自适应均衡结果图；
[0032] 图11为本发明的加均衡电路的自适应均衡结果图；
[0033] 图12为本发明的CLC012接线示意图；
[0034] 图13为本发明的CLC001接线示意图；
[0035] 图14为本发明的MAX3490接线原理示意图；
[0036] 图15为本发明的MAX3490电路原理示意图；
[0037] 图16为本发明的电源管理框图；
具体实施方式
[0039] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0040] 请参阅图1至图17，本发明公开了一种串联式渔用拖网监视数据传输系统，包括传输电缆和数据终端，所述传输电缆上间隔设置有若干个用于传输数据信号的传输包，每一个传输包均电连接有传感器并接收所述传感器采集的数据，相邻的所述传输包之间通过双绞线电连接进行信号传输交互，由于多个传输包分别设置在传输电缆上，通过传输电缆将信号分别对应传输到传输包，而相邻的传输包之间通过双绞线进行信号传输，在数据下行的时候，传输包负责将数据终端传来的信息指令进行解析，并根据传输协议将信号命令下发到对应传输包；而在数据上行时，传输包接收传感器采集的数据，并将接收到的数据通过传输协议排队回传到数据终端，通过这种差分式的信息传输方式，可以有效提高共模移植的能力，从而提高噪声容限，并可进行多路复用，有效扩展了拖网监测传感器打在的数量和传输的信号带宽。
[0041] 进一步的，每一个所述传输包和对应的所述传感器之间通过通用异步收发传感器UART进行信号传输。
[0042] 所述双绞线为差分式的LVDS双绞线，所述传输电缆采用广播式传输方式进行指令传输。
[0043] 在本实施例中，指令传输采用广播式传输方式，此处的数据终端采用船载主控机，船载主控机采用计算机，由船载主控机发送指令，所有的传输包接收指令，而传输包在接收到指令之后判断指令中的包号从而确定该指令是发送给哪些传输包的，而另一方面，指令传输流水线也担负定位同步的任务，而本技术方案采用的指令传输结构可以将指令同步延时降到最低，且可以估算。
[0044] 所述传输电缆通过RS485协议将命令传输到每一个所述传输包，每一个传输包传输命令时都分成两路，其中一路直接下传到下一个所述传输包，另外一路进行串并转换之后进行解析。
[0045] 需要说明的是，由于命令是由串行的485协议传输，而命令字是16bit 的，因此每个传输包收到命令后需要进行串/并转换然后才能解析命令。但是如果每次都将命令解析后再将命令下传，就会因为串/并，并/串转换而造成很长的命令传输延迟。因此，在命令传到每一个数据包都分成两路，一路直接下传，另一路进行串/并转换然后解析，从而提高数据传输效率。
[0046] 所述传输包上均设置有时钟晶振，每一个所述传输包在收到第一个传输包发送的命令之后再上传数据至数据终端，由于每块板上都有各自的时钟晶振0，这样难免会有时钟偏差，如果按照每块传输板各自的时钟上传数据，就会造成数据顺序紊乱。在本系统中，在每个采样周期，头包都会向下发一个同步命令，每块板都在接收到该命令后发送数据，这样就由头包的时钟保证了采样率一致。
[0047] 作为优选的技术方案，在每次开始工作时，位于起始端的传输包首先向下级发送一个特殊的配置包号命令，该命令可以控制传输包的使能数量，当工作进行时，如果某一传输包工作不正常，也可由此命令关掉该坏包及后续包。该命令之所以特殊，就在于它必须经过每个传输包的解析，让每个包都配置完自身的包号后将命令中的包号加一下传，当某一包发现自身包号和数字包个数相等时，就将切断与下级传输包的联系，并将自身设置为尾包。
[0048] 所述传输包包括FPGA控制器、RS-485驱动、LVDS驱动、LVDS均衡电路，所述FPGA控制器通过和RS-485驱动电连接输入和输出指令，所述FPGA控制器依次电连接LVDS驱动、均衡电路来输入数据，所述 FPGA控制器输出端依次电连接LVDS驱动、LVDS发送用以传输数据。
[0049] 其中主要是用于实现指令的接收和下传，上一级数据的接收和下传，本地数据的接收和上传。
[0050] 如图6所示，为FPGA主要控制本地传感器数据传输与上级传输包传来数据向下传的逻辑关系图，FPGA选用Altera公司的Cyclone III，它是低成本低功耗的器件，它采用TSMC的65nm低功耗器件制造，具有优化的软件特性，以最大限度降低功耗。其主要的逻辑资源：
[0051] 1、Cyclone III FPGA系列的逻辑单元(LE)从5136到119088。
[0052] 2、存储器从414Kb到3888Kb；
[0053] 3、乘法器从23个到288个；
[0054] 4、PLL有2个和4个两种，全局时钟网络有10个和20个。
[0055] FPGA采用SRAM来存储配置信息，由于SRAM是掉电丢失信息的，所以每次上电都要下载配置信息。CYCLONE III的配置方式如下：
[0056] 1、Active serial(AS)；
[0057] 2、Active parallel(AP)；
[0058] 3、Passive serial；
[0059] 4、Fast passive parallel(FPP)；
[0060] 5、JTAG；
[0062] 进一步的，如图8所示，除了AS加载外，为了方便调试，通常还要使用JTAG配置方式，JTAG方式使用4个引脚：
[0063] 1、TDI,测试数据输入；
[0064] 2、TDO,测试数据输出；
[0065] 3、TCK,测试时钟；
[0066] 4、TMS，测试模式选择。
[0067] 而LVDS驱动选用NATIONAL SEMICONDUCTOR公司的 DS90LV019，其接线图如图9所示，其主要特点为：
[0068] 3.3或5V供电；
[0069] 低功耗；
[0070] 14脚SOIC封装。
[0071] LVDS均衡电路采用没有信号调节功能的LVDS芯片，电缆的长度一般不能超过几米，采用LVDS接口芯片的系统如果进行长距离的数据传送 (数十米以至数百米)，应增加专为驱动较长电缆而设的芯片，并将之搭配 LVDS均衡器芯片一起使用，以便互相支持。
[0072] 这里选用串行数字接口电缆驱动器/均衡器芯片组CLC001和 CLC012,CLC012自适应电缆均衡器为双绞线上传输的数据提供了一个低成本的单片集成解决方案,只需使用一个芯片和很少的几个外围元件就能轻松地完成高速数据流的再生。
[0073] 其对应效果对比图如图10和图11所示，图10为未加均衡电路的结果图，图11为添加均衡电路的结果图。
[0074] 图12为CLC012接线图，CLC012主要特点有：
[0075] 1、5V供电；
[0076] 2、单端或差分输入；
[0077] 3、14脚SIOC封装。
[0078] 图13为CLC001接线图，其主要特点为：
[0079] 1、5V供电；
[0080] 2、差分输入；
[0081] 3、8脚SIOC封装。
[0082] RS-485串口驱动选用美信公司的RS485转换芯片MAX3490来实现，图14为MAX3490的接线原理图，其电路原理图如图15所示。
[0084] 系统的电源需求：
[0085] 1、FPGA:+3.3V,+2.5V,+1.2V；
[0086] 2、LVDS均衡电路：5V。
[0087] 在本方案中，电源管理框图如图16所示。
[0088] 开关电源一将电池输出的+14.4V分别转换成+5V和+3.0V。其中5V 提供给LDO1、LDO2，+3V提供给LDO3、LDO4。
[0089] 进一步的，开关电源选用Linear公司的LT1940EFE，这是Linear公司的一款双路输出大电流的开关电源芯片，主要特点有：
[0090] 1、3.6V到25V输入电压；
[0091] 2、两个1.4A输出开关稳压器；
[0092] 3、16脚热增强型TSSOP封装。
[0093] 其设计原理图如图17所示。
[0094] 低压差线性电源LDO1、LDO2、LDO3、LDO4均选用Linear公司的 LT1763IS8，这是一款低噪声、低压差LDO，其主要特点有：
[0095] 1、低噪声：20uVRMS(10Hz to 100kHz)；
[0096] 2、低压差：300mV；
[0097] 3、最大输出电流：500mA；
[0098] 4、输出电压：1.5V,1.8V,2.5V,3V,3.3V,5V或者1.22V到20V可调；
[0099] 5、低静态电流：30uA；
[0100] 6、关断电流：<1uA
[0101] 7、宽输入电压范围：1.8V to 20V；
[0102] 8、有过流和过温保护；
[0103] 9、封装：8Pin的SO或12Pin的DFN。
[0104] 输出电压幅度通过外部分压电阻可调。
[0106]
[0107] 其中：
[0108] a.数据长度为数据类型、传感器编号、数据内容和校验和的总字节数；
[0109] b.CRC校验是由数据类型、传感器编号和数据内容共同参与计算；
[0110] c.数据均是先发低位，再发高位。
[0111] 数据类型说明如下表所示：
[0112]
[0113]
[0114] 传感器编号在数据包中占用两个字节，其中后8个比特表示行(缆) 的编号，前8个比特表示列(道)的编号。样机由4行、4列组成，所以分别选择行号和列号由1～4对16个传感器进行编号。某些操作需要同时对以行或一列传感器进行，这里选择行号为0时，对标示列号所在的所有行进行操作；选择行号为0时，对标示行号所在的所有列进行操作。这里选择行和列号同时为0时，对所有传感器进行操作。
[0115]
[0116] 而由于传输延迟，位于起始端的传输包即头包的同步命令到达每个传输包的传输板的时间由近及远逐渐增加，每个传输包在收到该同步命令后，立即将本地数据上传一组，本地数据上传结束以后，才将后级数据包的数据上传，这样通过传输延迟控制数据序列，并用数字包号加以检验的方式，是节省资源和提高效率的最佳方式。
[0117] 如图3和图4所示，图3为本实施例的流水线型数据通道，图4为头包传输数据波形时序图，传输一包数据大约需要9us，中间间隔约2.2us。如果是1khz的采样率，一条缆最多可以接1ms/(9+2.2)us＝88个传输包，完全能够满足设计需求。
[0118] 本发明还公开了一种串联式渔用拖网监视数据传输方法，包括：
[0119] 数据终端发出命令至传输包组中的多个传输包；
[0120] 位于起始端的传输包在收到命令将命令分成两路，一路直接下传至下方的传输包，另一路进行串并转换后解析；
[0121] 所述传输包在收到命令后在每个采样周期发送数据，并反馈至数据终端。
[0122] 在每个采样周期，位于起始端的传输包都向下发一个同步命令，每个传输包的传输板都在接收到该同步命令后发送数据，每个传输包通过其内置的传输板发送数据。
[0123] 整个传输过程具体为：船载主控机首先发送指令，通过广播式传输方式通过传输电缆进线传输，指令分别传输到每一个传输包上，所有的传输包均接收到指令，从而使得传输包通过判断指令中的包号来确定指令是发给哪些传输包的，同时担负定位同步的任务，并可以将指令同步延时降到最低，可以进行估算。
[0124] 而接收到指令的传输包，由于命令是由串行的485协议传输，而命令字是16bit的，因此每个数据包收到命令后需要进行串/并转换然后才能解析命令。但是如果每次都将命令解析后再将命令下传，就会因为串/并、并/串转换而造成很长的命令传输延迟。因此，在命令传到每一个数据包都分成两路，一路直接下传，另一路进行串/并转换然后解析。
[0125] 在解析之后，指令中对应的包号接收传感器采集的数据，并将数据上传，由于传输延迟，头包的同步命令到达每块传输板的时间由近及远逐渐增加，每块传输板在收到该同步命令后，立即将本地数据上传一组，本地数据上传结束以后，才将后级数据包的数据上传。这样通过传输延迟控制数据序列，并用数字包号加以检验的方式，是节省资源和提高效率的最佳方式。
[0126] 从而完成整个数据传输过程，提高共模抑制的能力，提高噪声容限，并可用进行多路复用，有效的扩展了拖网监测传感器搭载的数量和传输的信号带宽。
[0127] 所述传输包组的传输包之间通过双绞线串联，所述双绞线采用LVDS 双绞线。
[0128] 还包括在每次开始工作时，位于起始端的传输包首先向下级发送一个可控制传输包的使能数量的配置包号命令，所述配置包号命令经过每个包的解析，使得每个包都配置完自身的包号后将命令中的包号加以下传，当某一包发现自身包号和传输包个数相等时，就切断与下级传输包的联系，并将自身设置为尾包，从而完成包号设置。
[0129] 以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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