[发明专利]一种基于千兆以太网的同步串行信号采集控制装置

权利要求书

1.一种基于千兆以太网的同步串行信号采集控制装置，其特征在于：该装置包括SSI信号采集装置、主控单元、千兆以太网通信装置以及上位机；

所述SSI信号采集装置包括差分电平转换模块、电压保护模块和DB-25接口座；SSI信号传感器、DB-25接口座、电压保护模块和差分电平转换模块依次连接；差分电平转换模块将SSI信号传感器输出的一组差分时钟信号和一组差分数据信号分别转换为单端信号并传输给主控单元；

所述千兆以太网通信装置包括千兆以太网物理层管理芯片和以太网接口座；千兆以太网物理层管理芯片连接主控单元中的MAC层接口和传输介质接口，用以实现以太网物理层功能；以太网接口座通过差分走线连接千兆以太网物理层管理芯片，通过超五类网络线缆连接上位机，同时内置有LED灯，指示网络连接和传输状态；

所述主控单元作为信号采集控制装置的核心模块，用于整个装置的功能实现和时序控制，其中一部分资源用以实现内嵌千兆以太网MAC层控制器，通过MAC层接口和传输介质接口实现与外部千兆以太网物理层管理芯片的连接，另一部分资源用以实现对SSI信号采集装置的时序控制，同时，还有一部分资源用以实现SSI信号采集装置、千兆以太网通信装置和上位机的协同控制，包括对上位机控制命令的解析和实现、SSI信号采集装置时序控制过程和数据上传时序控制过程的协调；

所述上位机包括控制面板和显示面板两部分，控制面板用于设置采集和传输参数，这些参数对应特定的控制指令经以太网传输下发到主控单元，显示面板用于显示主控单元上传的传感器数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于千兆以太网的同步串行信号采集控制装置，其特征在于：所述主控单元基于FPGA，芯片型号为Xilinx公司的SPARTAN6系列的FPGA芯片XC6SLX16FTG256，采用AS配置模式，即主动串行配置模式进行硬件配置，配置采用的PROM芯片为Xilinx公司的XCF04SVO20C芯片，同时保留JTAG接口用于调试，主时钟频率为50MHz；主控单元上电后处于待机状态，直到接收到上位机下发的采集开始控制命令，然后根据控制命令配置采集参数并启动采集控制时序，控制SSI信号采集装置进行信号采集，同时，每完成一次数据采集，主控单元即启动一次数据上传过程，通过千兆以太网通信装置向上位机发送该次采集得到的数据，一旦上位机下发停止指令，主控单元即停止采集和上传过程，进入待机状态。

3.根据权利要求1所述的一种基于千兆以太网的同步串行信号采集控制装置，其特征在于：差分电平转换模块采用MAX490490ESA芯片，可以将输入的差分信号转换为+5V数字信号，电压保护模块采用5.1V稳压管；千兆以太网通信装置包括千兆以太网物理层管理芯片和以太网接口座，千兆以太网物理层管理芯片采用Realtek公司的RTL8211EG芯片，采用25MHz晶振，配置为Gbit通信模式，MAC层接口选用GMII接口，传输介质接口选用MDIO接口，通过GMII接口和MDIO接口实现与主控单元的连接，GMII接口用于千兆以太网MAC层和物理层间的数据通信，MDIO接口用于实现对以太网物理层参数的配置，以太网接口座采用HR911130A型号标准RJ-45接头，实现以太网物理层管理芯片与网络电缆的物理连接，同时内嵌两个LED用于指示以太网连接和通信状态；所有模块的供电均采用TI公司的电源管理芯片，装置的输入电压为12V，主控单元采用单独的3.3V和1.2V供电，其他模块还需要提供一路3.3V和一路5V供电。

4.根据权利要求1所述的一种基于千兆以太网的同步串行信号采集控制装置，其特征在于：该装置采用的控制流程如下：(1)用户通过上位机控制面板设置采集参数和传输参数，采集参数包括采集时钟频率、采集通道数和通道数据位宽，传输参数包括采集装置和上位机的IP地址、端口号；(2)用户启动采集过程，上位机通过千兆以太网下发启动指令和控制指令到主控单元，主控单元接收指令，根据指令配置采集时钟频率、采集通道数和通道数据位宽并启动同步串行信号采集时序；(3)SSI信号采集模块开始工作并将数据传输到主控单元，主控单元将数据按照16进制进行编码，并按照UDP协议进行封包后通过千兆以太网实时上传到上位机，数据传输采用小包的形式进行传输，封包处理和发送过程占用时间极短，因此可以实现数据的实时上传；(4)上位机处理通过千兆以太网接收到的数据包，解析数据包内容，将接收到的数据进行格式转换并以二进制或格雷码的格式显示在上位机的显示面板；(5)若数据采集结束，则用户停止采集过程，上位机下发停止指令到主控单元，采集时序停止。