專利名稱：一種自配置通用性拖曳線陣的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲納領(lǐng)域中水下目標探測和海洋地震勘測方面，特別涉及一種用于 拖曳陣聲納系統(tǒng)或地震勘探拖曳漂纜的水下高速、遠距離、分布式的自配置通用性 拖曳線陣的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點。
背景技術(shù)：
拖曳式線列陣聲納所具有的低頻、大孔徑特性使其成為解決水下目標遠程探測 及海洋地震勘測的重要手段之一，而拖線陣的結(jié)構(gòu)特性要求由傳感器采集的數(shù)據(jù)必 須經(jīng)過高速、遠距離的水下傳輸后才能到達位于水上的數(shù)據(jù)處理器。因此，水下高 速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)就成為了必需。
早期的拖線陣聲納通常使用模擬信號進行數(shù)據(jù)傳輸，模擬信號在長線傳輸過程 中衰減和畸變嚴重，并且隨著通道數(shù)的增加，不能實現(xiàn)多路混合，從而導(dǎo)致線纜變 粗，所以這種技術(shù)已經(jīng)逐漸被數(shù)字傳輸技術(shù)所替代。目前采用數(shù)字傳輸技術(shù)并應(yīng)用
于拖線陣聲納系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備如美國PSI公司開發(fā)的基于ATM技術(shù)的水下數(shù) 據(jù)傳輸模塊ATM-SONET節(jié)點。由于基于ATM協(xié)議，這種設(shè)備在進行數(shù)據(jù)傳輸時協(xié) 議開銷較大，同時ATM技術(shù)利用不同的邏輯信道來傳送數(shù)據(jù)和控制命令，進一步增 加了額外開銷；此外，ATM技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件價格昂貴，這都限制了 ATM-SONET節(jié)點的廣泛應(yīng)用。國內(nèi)也有技術(shù)人員對同類產(chǎn)品進行了開發(fā)，如馮師 軍等人研制的用于拖線陣聲納的水下數(shù)字式高速數(shù)據(jù)傳輸電路。此電路雖然可以實
現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸，但其只能與具有特定量化位數(shù)的數(shù)據(jù)采集模塊匹配使用，缺乏通 用性；在多個電路級聯(lián)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，每個電路都需要對上游電路發(fā)送的數(shù)據(jù) 進行緩存處理，這樣隨著級聯(lián)節(jié)點的增加對存儲器容量提出了很高的要求，同時又 增加了傳輸延遲；另外，由該電路組成的系統(tǒng)采用單開環(huán)結(jié)構(gòu)，由于數(shù)據(jù)只能單向 傳輸，因此，干端無法實現(xiàn)對傳輸電路的任何控制。
國內(nèi)其它相關(guān)技術(shù)如樂燕芬和閆景富等人開發(fā)的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊雖然可以解決上 述己有產(chǎn)品存在的部分問題，但其具有的功能仍顯不足，例如沒有提供姿態(tài)傳感器 接口，同時此數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和上面提到的水下數(shù)字式高速數(shù)據(jù)傳輸電路均只能工作 在連續(xù)接收數(shù)據(jù)的模式下，當(dāng)與主動聲納聯(lián)合工作時，無法實現(xiàn)區(qū)別不同發(fā)射次數(shù) 的分批次傳輸。而專用于海洋地震勘探的一些數(shù)字包，如分布式海洋地震勘探拖纜， 卻只有批次傳輸能力，不適合連續(xù)長時間的被動接收和傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決拖曳線陣聲納系統(tǒng)及地震勘探拖曳漂纜中水下拖體部分 高速、遠距離的數(shù)據(jù)傳輸問題，針對基于ATM技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模塊協(xié)議開銷大、技 術(shù)復(fù)雜、模塊價格昂貴、數(shù)據(jù)和控制命令分開傳送等不足，其它設(shè)備如水下數(shù)字式 高速數(shù)據(jù)傳輸電路存在的缺乏通用性、對存儲器容量要求高、數(shù)據(jù)傳輸延遲大、干 端無法有效控制等缺點，以及數(shù)據(jù)收發(fā)模塊具有的功能明顯不足、無法實現(xiàn)既能連 續(xù)傳輸，又能區(qū)別不同發(fā)射批次的分批次傳輸?shù)热秉c，本發(fā)明提供了一種能夠自動
配置并具有自組網(wǎng)功能、自檢功能、i/o控制功能及復(fù)位功能的采用自定義網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、
干端可控的通用性水下高速數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點。同時，針對目標探測及地震勘測應(yīng)用的 具體要求，本發(fā)明提供了連續(xù)傳輸模式和批次傳輸模式兩種可選的工作模式；此外，
為了滿足拖曳線陣聲納系統(tǒng)的特殊要求，本發(fā)明還增加了與姿態(tài)傳感器的接口，為 干端實時的提供拖纜的姿態(tài)信息。本發(fā)明提供的一種自配置通用性拖曳線陣的數(shù)據(jù) 傳輸節(jié)點，包括主處理器(101)、 CPLD邏輯電路(102)、 Transceiver電路(103)、 信道均衡電路(104)、變壓器(105)、時鐘信號源(107)及數(shù)據(jù)采集模塊接口電路
(109);所述的主處理器(101)是主控芯片，用于負責(zé)整個數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的工作調(diào) 度；所述的CPLD邏輯電路(102)，用于實現(xiàn)邏輯控制及對數(shù)據(jù)采集模塊提供的數(shù) 據(jù)的接收；所述的Transceiver電路(103)，用于完成本地數(shù)據(jù)的發(fā)送、對上游節(jié)點 發(fā)送的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)以及干端命令的接收工作；所述的信道均衡電路(104)和變壓器
(105)配合使用，用于提高長線傳輸中數(shù)據(jù)的準確性；所述的時鐘信號源(107)， 用于通過時鐘信號線(110)為主處理器(101)提供基準時鐘；所述的數(shù)據(jù)采集模 塊接口電路(109)，用于對由傳感器接收并經(jīng)A/D采集后的數(shù)據(jù)進行實時、同步的 接收；所述的數(shù)據(jù)采集模塊接口電路(109)將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CPLD邏輯電路
(102)可以接收的形式后發(fā)送給CPLD邏輯電路(102)，再由CPLD邏輯電路(102) 按照自定義網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)定將此數(shù)據(jù)插入到串行數(shù)據(jù)流中，發(fā)送給干端數(shù)據(jù)接收模 塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊接口電路(109)接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的三組差分信號為 時鐘信號CLK、幀同步信號SYNC和數(shù)據(jù)信號DATA;所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的初始 化參數(shù)可根據(jù)干端發(fā)送的控制命令進行修改，從而實現(xiàn)干端對數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的控制； 其特征在于，節(jié)點還包括一自組網(wǎng)和錯誤定位功能塊，該自組網(wǎng)和錯誤定位功能塊， 在系統(tǒng)上電后處于鏈路最上游的節(jié)點會自動判斷出自己為主節(jié)點，并向下游節(jié)點發(fā) 送組網(wǎng)配置字節(jié)，完成自組網(wǎng)和自定位功能；且通過組網(wǎng)配置，鏈路中各節(jié)點會獲 得唯一標識，當(dāng)濕端的數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)問題時，干端可以通過此唯一標識對出現(xiàn)錯誤的節(jié)點進行準確定位。由于自組網(wǎng)功能的存在，使得節(jié)點間的順序可以任意互換， 給系統(tǒng)成纜、維護都帶來很大的便捷性。
作為本發(fā)明的一種技術(shù)方案，所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點包括一節(jié)點復(fù)位功能塊，用 于識別控制端發(fā)出的復(fù)位指示信號，當(dāng)有復(fù)位信號到來時，數(shù)據(jù)采集模塊向節(jié)點提 供的SYNC信號會變?yōu)楦唠娖讲⒊掷m(xù)一段時間，所述的節(jié)點復(fù)位功能塊可以通過檢 測SYNC信號的電平情況來判斷復(fù)位指示命令，完成節(jié)點復(fù)位操作。在控制端，會 有專門的復(fù)位控制信號連接到數(shù)據(jù)采集模塊上，進而完成節(jié)點復(fù)位操作。
作為本發(fā)明的另一種技術(shù)方案，所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點進一步包括一自檢功能塊， 用于檢測節(jié)點工作狀態(tài)，實現(xiàn)對節(jié)點的故障定位；在自檢模式下，如果干端數(shù)據(jù)接 收端可以收到該節(jié)點發(fā)送的固定數(shù)字序列，則可以判定節(jié)點從數(shù)據(jù)采集模塊接收數(shù) 據(jù)時出現(xiàn)了問題；如果干端數(shù)據(jù)接收端無法收到此節(jié)點發(fā)送的固定數(shù)字序列時，則 該節(jié)點的本地數(shù)據(jù)的發(fā)送鏈路發(fā)生了故障。
在工作模式下，節(jié)點可以完成對上游節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)以及對本地釆集數(shù)據(jù) 的發(fā)送；而在自檢模式下，節(jié)點會對上游節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行正常的轉(zhuǎn)發(fā)，但發(fā)送 的本地數(shù)據(jù)并非從數(shù)據(jù)采集模塊接收的數(shù)據(jù)，而是由主處理器(101)產(chǎn)生的固定數(shù) 字序列，這種方式可以有效的檢測節(jié)點是否正常工作以及數(shù)據(jù)收發(fā)鏈路是否正常。 例如當(dāng)干端數(shù)據(jù)接收端無法收到某一節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)時，便可以將此節(jié)點的工作狀 態(tài)設(shè)置為自檢態(tài)，通過在干端數(shù)據(jù)接收模塊檢測收到的數(shù)據(jù)就可以判斷出故障的原 因。節(jié)點的自檢功能可以有效的檢測節(jié)點的工作狀態(tài)，同時對于節(jié)點的故障定位也 起到很大的幫助。
作為本發(fā)明的一種技術(shù)方案，所述的CPLD邏輯電路(102)通過數(shù)據(jù)采集模塊 接口電路(109)和總線(111)來接收數(shù)據(jù)采集模塊提供的數(shù)據(jù)；該CPLD邏輯電 路(102)可由主處理器(101)進行參數(shù)配置，從而實現(xiàn)與具有不同量化位數(shù)和通 道數(shù)的數(shù)據(jù)采集模塊匹配，使本發(fā)明具有很強的通用性。
作為本發(fā)明的一種技術(shù)方案，所述的數(shù)據(jù)采集模塊和節(jié)點之間存在兩種數(shù)據(jù)傳
輸模式連續(xù)傳輸模式和批次傳輸模式；在所述的連續(xù)傳輸模式下，節(jié)點會從數(shù)據(jù) 采集模塊連續(xù)不斷的接收數(shù)據(jù)，并將收到的數(shù)據(jù)打包后實時地發(fā)送給干端數(shù)據(jù)接收 端，這種傳輸模式常用于目標探測時連續(xù)(被動)數(shù)據(jù)的采集；在所述的批次傳輸 模式下，節(jié)點將不同時間段從數(shù)據(jù)采集模塊接收的數(shù)據(jù)以不同的"批次號"來區(qū)分， 以達到區(qū)分數(shù)據(jù)的目的。數(shù)據(jù)在時間上是不連續(xù)的，或者說數(shù)據(jù)只出現(xiàn)特定的時間 段內(nèi)。這種模式可以配合帶主動聲源的數(shù)據(jù)采集，并與主動聲源同步，如在進行海
6洋地震勘探時常出現(xiàn)這種情況。本發(fā)明可以保證在批次傳輸模式下對任意時間內(nèi)出 現(xiàn)的數(shù)據(jù)進行完整、準確的接收。
作為本發(fā)明的一種技術(shù)方案，所述的Transceiver電路(103)，可用于完成對上 游數(shù)據(jù)的直接轉(zhuǎn)發(fā)，并只對上游數(shù)據(jù)進行中繼放大。所述的Transceiver電路(103) 不對上游數(shù)據(jù)進行緩存操作而直接進行轉(zhuǎn)發(fā)，并對上游數(shù)據(jù)進行中繼放大，與己有 技術(shù)相比，本發(fā)明可以減少傳輸延遲，提高帶寬利用率，并降低對存儲器容量的要 求。
作為本發(fā)明的一種技術(shù)方案，所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點在上電后可實現(xiàn)自動配置， 其初始化參數(shù)包括節(jié)點號、數(shù)據(jù)接口的量化位數(shù)和通道數(shù)、1/0參數(shù)。當(dāng)應(yīng)用環(huán)境 發(fā)生變化時，節(jié)點的配置參數(shù)可由用戶根據(jù)要求隨時修改。
作為本發(fā)明的一種技術(shù)方案，所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點還包括姿態(tài)傳感器接口電路 (108)，用于提供與姿態(tài)傳感器的接口，當(dāng)干端需要姿態(tài)信息時，可將姿態(tài)傳感器 采集的數(shù)據(jù)實時的發(fā)送給干端數(shù)據(jù)接收模塊。
作為本發(fā)明的一種技術(shù)方案，所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點還包括非易失性的外部存儲
器EEPROM(106)，用于存儲主處理器(101)執(zhí)行的程序。節(jié)點上電后主處理器(101)， 如DSP，會自動從EEPROM (106)中加載程序至內(nèi)存中，以實現(xiàn)程序的高速執(zhí)行。 這種方式可以避免對主處理器(101)內(nèi)部ROM的進行昂貴的掩膜編程，實現(xiàn)時也 很簡單。
作為本發(fā)明的一種技術(shù)方案，在不超過系統(tǒng)總數(shù)據(jù)傳輸帶寬150Mbps的條件下， 所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的個數(shù)是任意的，并且每個節(jié)點均可根據(jù)需要由干端設(shè)置為中 繼節(jié)點。
綜上，本發(fā)明的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點具有以下幾個功能
(1) 提供與前端數(shù)據(jù)采集模塊的接口，對由傳感器接收并經(jīng)A/D采集后的數(shù) 據(jù)進行實時、同步的接收；
(2) 按照自定義數(shù)據(jù)包格式的規(guī)定對接收的數(shù)據(jù)進行成幀處理，并按照自定 義網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)定將此數(shù)據(jù)插入到串行數(shù)據(jù)流中，從而發(fā)送給干端數(shù)據(jù)接收模塊；
(3) 對鏈路中上游數(shù)據(jù)提供直接轉(zhuǎn)發(fā)的功能；
(4) 上電后可實現(xiàn)自動配置，如節(jié)點號配置、數(shù)據(jù)接口的量化位數(shù)和通道數(shù) 配置、1/0配置等，同時配置參數(shù)可由干端根據(jù)應(yīng)用要求隨時修改；
(5) 提供自組網(wǎng)和錯誤定位功能。上電后符合系統(tǒng)連接條件的各節(jié)點都有自 組網(wǎng)、自定位的能力；通過系統(tǒng)配置，鏈路中的每個節(jié)點都有一個唯一的標識，當(dāng)濕端出現(xiàn)錯誤時，可以通過此標識予以準確定位；
(6) 提供兩種數(shù)據(jù)傳輸模式連續(xù)傳輸模式和批次傳輸模式；
(7) 提供中繼節(jié)點功能，即數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點可被設(shè)置為中繼節(jié)點，并只起中繼
作用；
(8) 識別控制端發(fā)出的復(fù)位指示信號，完成節(jié)點復(fù)位操作；
(9) 提供自檢功能，以檢測節(jié)點的工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)收發(fā)鏈路是否正常；
(10) 提供I/0控制能力，可實現(xiàn)對與本發(fā)明連接的其它模塊的控制及通信；
(11) 提供與姿態(tài)傳感器的接口，當(dāng)干端需要姿態(tài)信息時，可將姿態(tài)傳感器采 集的數(shù)據(jù)實時的發(fā)送給干端數(shù)據(jù)接收模塊。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，本發(fā)明可以與具有不同量化位數(shù)和通道數(shù)的數(shù)據(jù)采集模塊 無縫連接，具有很強的通用性。 一般來說，數(shù)據(jù)采集模塊對于模擬信號的量化位數(shù) 會隨應(yīng)用環(huán)境的不同而有所差異，并且所接收數(shù)據(jù)的通道數(shù)也不是唯一的。如果固 定了數(shù)據(jù)接口的工作參數(shù)，那么對不同的應(yīng)用環(huán)境就要有不同的設(shè)計，大大限制了 應(yīng)用的通用性。本發(fā)明在設(shè)計時解決了這個問題，通過在干端顯控界面上進行參數(shù) 配置并將參數(shù)下發(fā)，本發(fā)明就可以實現(xiàn)與具有不同量化位數(shù)和通道數(shù)的數(shù)據(jù)采集模 塊的無縫連接；同時本發(fā)明的數(shù)據(jù)接口可以接收差分形式的信號，提高了數(shù)據(jù)的準 確性。
本發(fā)明會按照自定義協(xié)議對從數(shù)據(jù)采集模塊接收的數(shù)據(jù)進行成幀處理，并將其 插入到串行數(shù)據(jù)流中，從而發(fā)送給干端數(shù)據(jù)接收端。針對數(shù)據(jù)接收具有實時性的特 點，本發(fā)明可以保證接收的數(shù)據(jù)在緩存時不會發(fā)生覆蓋現(xiàn)象，同時所有接收到的數(shù) 據(jù)會按照接收順序依次發(fā)送給干端，不會發(fā)生次序混亂及數(shù)據(jù)丟失的情況。另外， 在系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時，本發(fā)明可以最大程度的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼＿M行，不會造成 整個系統(tǒng)癱瘓。舉例來說，當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路意外斷開時，本發(fā)明可以保證斷開點以后的 節(jié)點仍能夠正常的進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，這時只需要對所有節(jié)點進行復(fù)位操作，由 于節(jié)點具有自組網(wǎng)功能，鏈路斷開點以后的節(jié)點在復(fù)位后可以完成自動組網(wǎng)并啟動
正常的數(shù)據(jù)傳輸，從而避免了由于鏈路一點斷開造成整個鏈路的癱瘓的情況。
應(yīng)用于拖線陣聲納及地震勘探拖曳漂纜中的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點在拖纜中通常采用串
行連接的形式，這種結(jié)構(gòu)要求節(jié)點能夠?qū)ι嫌喂?jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)操作。本發(fā)
明實現(xiàn)了這一基本功能，同時本發(fā)明對上游數(shù)據(jù)不進行緩存而直接轉(zhuǎn)發(fā)，從而減少
了傳輸延遲，提高了帶寬利用率，降低了對存儲器容量的要求。
本發(fā)明中的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點在上電后可實現(xiàn)自動配置，如節(jié)點號配置、數(shù)據(jù)接口
的量化位數(shù)和通道數(shù)配置、1/0配置等。當(dāng)應(yīng)用環(huán)境發(fā)生變化時，節(jié)點的配置參數(shù)可由用戶根據(jù)要求隨時修改。在拖線陣聲納系統(tǒng)及地震勘探拖曳漂纜中，數(shù)據(jù)傳輸模 塊是封裝在拖纜中并應(yīng)用于水下的，這種特殊的應(yīng)用環(huán)境決定了用戶對其直接操控 的不便性，為了實現(xiàn)干端對節(jié)點的控制，本發(fā)明中采用了干端發(fā)送控制命令，水下 節(jié)點以響應(yīng)命令的形式來完成相應(yīng)操作的方式。在本發(fā)明中，用戶只要通過顯控界 面進行操作，即可對節(jié)點的參數(shù)進行修改，大大增強了設(shè)計的靈活性和可控性。
在本發(fā)明中，為了增加系統(tǒng)的靈活性，在設(shè)計時使數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點具有了自組網(wǎng)、 自定位及錯誤定位功能。上電后符合系統(tǒng)連接條件的各節(jié)點可以根據(jù)連接情況完成 自動組網(wǎng)，并實現(xiàn)自定位。在本發(fā)明中，系統(tǒng)上電后處于鏈路最上游的節(jié)點會自動 判斷出自己為主節(jié)點，并向下游節(jié)點發(fā)送組網(wǎng)配置字節(jié)，從而完成自組網(wǎng)、自定位 功能；由于自組網(wǎng)功能的存在，使得節(jié)點間的順序可以任意互換，給系統(tǒng)成纜、維 護都帶來很大的便捷性。另外，通過系統(tǒng)配置，鏈路中各節(jié)點會獲得唯一的標識， 當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)問題時，干端可以通過此標識對錯誤進行準確定位。
為滿足實際應(yīng)用需求，本發(fā)明可以提供兩種數(shù)據(jù)傳輸模式連續(xù)傳輸模式和批 次傳輸模式。在連續(xù)傳輸模式下，節(jié)點會從數(shù)據(jù)采集模塊連續(xù)不斷的接收數(shù)據(jù)，并 將收到的數(shù)據(jù)打包后實時的發(fā)送給干端接收板，這種傳輸模式常用于目標探測時連 續(xù)(被動)數(shù)據(jù)的采集；而在批次傳輸模式下，數(shù)據(jù)接口從數(shù)據(jù)采集模塊接收的數(shù) 據(jù)在時間上是不連續(xù)的，或者說數(shù)據(jù)只出現(xiàn)特定的時間段內(nèi)。批次傳輸模式可以配 合帶主動聲源的數(shù)據(jù)采集，并與主動聲源同步，如在進行海洋地震勘探時常出現(xiàn)這 種情況。本發(fā)明可以保證在批次傳輸模式下對任意時間內(nèi)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)進行完整、準 確的接收，同時將不同時間段采集的數(shù)據(jù)以不同的"批次號"來區(qū)分，以達到區(qū)分 數(shù)據(jù)的目的。這兩種工作模式可以滿足大部分拖線陣及地震勘探拖曳漂纜的應(yīng)用要 求，具有很強的應(yīng)用性。
除了作為基本的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊外，本發(fā)明還可以提供中繼節(jié)點功能。節(jié)點可被 設(shè)置為中繼節(jié)點，即該節(jié)點僅作為中繼節(jié)點使用，而不作其它功能；從干端來看， 此節(jié)點在鏈路中是"不可見的"。這種功能在實際應(yīng)用中作用很大，如在進行數(shù)據(jù)的 長線傳輸時，傳輸距離大于最大允許距離會造成數(shù)據(jù)失真，這時可以將某些節(jié)點設(shè) 置為中繼節(jié)點，通過中繼節(jié)點對信號的整形和放大作用來保證數(shù)據(jù)的準確性；又如 在鏈路中當(dāng)某個節(jié)點無法從數(shù)據(jù)采集模塊正常接收數(shù)據(jù)時，可以將它設(shè)置為中繼節(jié) 點，這樣就消除了它對數(shù)據(jù)鏈路的影響。
在聲納系統(tǒng)中，要求各個節(jié)點對數(shù)據(jù)的采集和傳輸必須是同步的。在本發(fā)明中， 當(dāng)鏈路中的各個節(jié)點在數(shù)據(jù)采集或傳輸過程中不同步時，可以通過節(jié)點復(fù)位操作來 達到再次同步。對于封裝在拖纜中并應(yīng)用于水下的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點來說，這種同步方
9式只需要干端簡單的操作即可實現(xiàn)，非常方便。
在實際應(yīng)用時，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)異常的原因可能是多種多樣的。針對這種情 況，本發(fā)明提供了錯誤檢測功能節(jié)點自檢功能。在自檢模式下，節(jié)點會對上游節(jié) 點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行正常的轉(zhuǎn)發(fā)操作，但發(fā)送的本地數(shù)據(jù)為節(jié)點內(nèi)部產(chǎn)生的固定數(shù)字 序列，這種方式可以有效的檢測節(jié)點的工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)收發(fā)鏈路是否正常。
在實際應(yīng)用時，干端通常需要獲取拖纜的姿態(tài)信息。為了滿足這一需求，本發(fā) 明增加了與姿態(tài)傳感器的接口。當(dāng)干端需要姿態(tài)信息時，本發(fā)明中的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點 就會將當(dāng)前的實時信息立即發(fā)送給干端，便于其處理。
本發(fā)明在設(shè)計時充分考慮了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可擴展性。在不超過系統(tǒng)總數(shù)據(jù)傳 輸帶寬的條件下，本發(fā)明中的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的個數(shù)是任意的，也就是說系統(tǒng)具有了 很好的可擴展性。
最后，針對拖線陣聲納中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，本發(fā)明采用了自定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和 數(shù)據(jù)包格式。與ATM技術(shù)相比，自定義協(xié)議大大提高了數(shù)據(jù)利用率，其中每個數(shù)據(jù)
包中包頭信息約占總數(shù)據(jù)量的0.2%;同時，本發(fā)明中將數(shù)據(jù)和控制命令通過同一信
道傳輸，進一步降低了額外開銷。
主要有如下優(yōu)點
1) 本發(fā)明具有通用性。本發(fā)明可以與量化位數(shù)分別為4、 8、 12、 16、 20、 24、 32比特的數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)無縫連接，具有很強的通用性；
2) 本發(fā)明對上游數(shù)據(jù)未經(jīng)存儲而直接轉(zhuǎn)發(fā)，從而減少了傳輸延遲，提高了帶寬
利用率，降低了對存儲器容量的要求；
3) 本發(fā)明在上電后可實現(xiàn)自動配置，如節(jié)點號配置、數(shù)據(jù)接口的量化位數(shù)和通 道數(shù)配置、1/0配置等，同時配置參數(shù)可由干端根據(jù)應(yīng)用要求隨時修改，大大增強了 設(shè)計的靈活性和可控性；
4) 本發(fā)明組成的濕端數(shù)據(jù)傳輸部分具有自組網(wǎng)和錯誤定位功能。于自組網(wǎng)功能 的存在，使得節(jié)點間的順序可以任意互換，給系統(tǒng)成纜、維護都帶來很大的便捷性； 當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸異常時，錯誤定位功能對快速解決問題起到很大的作用；
5) 本發(fā)明具有較強的容錯性。當(dāng)某個數(shù)據(jù)采集模塊停止工作或網(wǎng)絡(luò)連接意外斷 開時，本發(fā)明能最大程度的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼＿M行，不會造成整個系統(tǒng)癱瘓；同 時電路設(shè)計時增加了信道均衡等模塊，進一步保證了數(shù)據(jù)的準確性；
6) 本發(fā)明提供了連續(xù)傳輸模式和批次傳輸模式，可以滿足多種應(yīng)用需求；
7) 本發(fā)明可被設(shè)置為中繼節(jié)點。這時節(jié)點只作為中繼節(jié)點使用，而不作其它功 能，這種工作方式特別適合于遠距離傳輸中需要中繼的情況，以及節(jié)點無法正常從
10數(shù)據(jù)采集模塊接收數(shù)據(jù)的情況；
8) 本發(fā)明可以識別干端發(fā)出的復(fù)位指示信號，完成節(jié)點復(fù)位操作。通過復(fù)位可 以使鏈路中的各個節(jié)點迅速的達到同步；
9) 本發(fā)明可以提供節(jié)點自檢功能，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)問題時，這種檢測功能對故 障定位有很大幫助；
10) 本發(fā)明可以提供i/o控制能力，方便的實現(xiàn)對與本發(fā)明連接的其它模塊的控 制及通信，進一步增強了系統(tǒng)的功能；
11) 本發(fā)明使數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有很好的可擴展性。在不超過系統(tǒng)總數(shù)據(jù)傳輸帶寬 的條件下，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的個數(shù)是任意的；
12) 本發(fā)明具有很小的開銷。本發(fā)明采用的自定義協(xié)議大大降低了數(shù)據(jù)開銷，其 中每個數(shù)據(jù)包中包頭信息約占總數(shù)據(jù)量的0.2%;同時本發(fā)明將數(shù)據(jù)和控制命令通過 同一信道傳輸，進一步降低了額外開銷。


圖1是本發(fā)明中數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的組成框圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行說明。
圖1描述了本發(fā)明中數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的組成框圖。從圖中可以看出，本發(fā)明主要 由以下幾部分電路組成主處理器101、 CPLD邏輯電路102、 Transceiver電路103、 信道均衡電路104、變壓器105、 EEPROM106、晶振107、姿態(tài)傳感器接口電路108 及數(shù)據(jù)采集模塊接口電路109。其中主處理器101是本發(fā)明的主控芯片，它負責(zé)整個 節(jié)點的工作調(diào)度；CPLD邏輯電路102主要用來實現(xiàn)邏輯控制，以彌補主處理器控制 能力不足的缺點，同時完成對數(shù)據(jù)采集模塊提供數(shù)據(jù)的接收；Transceiver電路103 用來完成數(shù)據(jù)的收發(fā)工作；信道均衡電路104和變壓器105配合使用來提高長線傳 輸中數(shù)據(jù)的準確性。
本例中，主處理器101選用了DSP芯片，它具有豐富的片上資源，可以方便的 與其它電路連接。DSP執(zhí)行的程序在掉電后并不能保持在內(nèi)部的程序存儲器內(nèi)，所 以在本發(fā)明中將DSP執(zhí)行的程序存儲在非易失性的外部存儲器EEPROM 106中， 節(jié)點上電后DSP會自動從EEPROM 106中加載程序至內(nèi)存中，以實現(xiàn)程序的高速執(zhí) 行。這種方式可以避免對DSP內(nèi)部ROM的進行昂貴的掩膜編程，實現(xiàn)時也很簡單。
晶振107是本發(fā)明的時鐘信號源，它通過時鐘信號線110為DSP提供基準時鐘。DSP會對此時鐘信號進行處理，然后將處理后的時鐘信號通過時鐘信號線114和118 分別提供給Transceiver電路103和CPLD邏輯電路102。
數(shù)據(jù)采集模塊接口電路109用來從數(shù)據(jù)采集模塊接收數(shù)據(jù)。此接口接收來自數(shù) 據(jù)采集模塊的三組差分信號時鐘信號CLK、幀同步信號SYNC和數(shù)據(jù)信號DATA, 并將它們轉(zhuǎn)化為CPLD邏輯電路102可以接收的形式。在本發(fā)明中，利用CPLD邏 輯電路102通過總線111來接收數(shù)據(jù)，通過主處理器101對CPLD邏輯電路102進 行參數(shù)配置，可以使其與具有不同量化位數(shù)和通道數(shù)的數(shù)據(jù)采集模塊匹配，從而使 本發(fā)明具有了通用性。CPLD邏輯電路102接收的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線123傳送給 Transceiver電路103，再由Transceiver電路103將數(shù)據(jù)插入到串行數(shù)據(jù)流中發(fā)送給干 端。
姿態(tài)傳感器接口電路108可以從姿態(tài)傳感器接收相關(guān)姿態(tài)信息，當(dāng)干端需要獲 取姿態(tài)信息時，主處理器101會將當(dāng)前信息及時的發(fā)送給干端處理器，便于其處理。 在本發(fā)明中，當(dāng)干端需要獲取姿態(tài)信息時，會向節(jié)點發(fā)送姿態(tài)信息査詢命令，接到 命令的節(jié)點會以命令響應(yīng)的形式完成姿態(tài)信息的上傳。
在本發(fā)明中，CPLD邏輯電路102還用來實現(xiàn)邏輯控制功能，以彌補主處理器 DSP控制能力較弱的缺點。主處理器101和CPLD邏輯電路102之間通過信號線119 和信號線120傳送信息。其中信號線119傳送的是主處理器101的狀態(tài)信息，而信 號線120傳送的是CPLD邏輯電路102對主處理器101的控制信息;CPLD邏輯電路 102和Transceiver電路103之間通過信號線116和信號線117相互通信，其中信號線 117傳送的是Transceiver電路103的狀態(tài)信息，而信號線116傳送CPLD邏輯電路 102對Transceiver電路103的控制信息。
Transceiver電路103主要用來完成本地數(shù)據(jù)的發(fā)送、對上游節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)的 轉(zhuǎn)發(fā)以及干端命令的接收。它可以將CPLD邏輯電路102由數(shù)據(jù)總線123發(fā)送來的 本地數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)輸出線122及時的發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸鏈路上，也可以將從數(shù)據(jù)輸入 線121上收到的信息(如干端的命令)通過數(shù)據(jù)總線115傳送給主處理器101。此外， Transceiver電路103可以實現(xiàn)對上游數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，并對數(shù)據(jù)進行中繼放大；同時本 發(fā)明不對上游數(shù)據(jù)進行緩存操作而直接進行轉(zhuǎn)發(fā)，與已有技術(shù)相比，本發(fā)明可以減 少傳輸延遲，提高帶寬利用率，并降低對存儲器容量的要求。
在本發(fā)明中，信道均衡電路104和變壓器105配合使用來改善信號的質(zhì)量。在 長線傳輸過程中，信號不可避免的會產(chǎn)生衰減以及受到信道和噪聲的影響，為了保 證數(shù)據(jù)的準確性，本發(fā)明采用信道均衡電路104來補償信道的影響，同時采用了變 壓器105對外界干擾信號進行了隔離。拖曳線陣數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點特殊的應(yīng)用環(huán)境決定了用戶對水下各模塊直接操控的不 便性，對于其中大多數(shù)操作，可以采用干端發(fā)送控制命令，由水下節(jié)點以響應(yīng)命令 的形式來進行相應(yīng)動作。結(jié)合圖1，干端下傳的命令通過數(shù)據(jù)輸入線121進入到節(jié)點 內(nèi)部，再由主處理器101讀取并解析執(zhí)行。本發(fā)明中，用戶只要通過顯控界面進行
操作，即可對節(jié)點進行控制，大大增強了傳輸系統(tǒng)的性能以及設(shè)計的靈活性和魯棒 性。本發(fā)明己實現(xiàn)的許多功能都是通過這種形式來實現(xiàn)的，目前的命令包括姿態(tài)信
息査詢命令、1/0配置命令、自檢命令、節(jié)點號配置命令、數(shù)據(jù)接口量化位數(shù)及通道 數(shù)配置命令、設(shè)置中繼節(jié)點命令和恢復(fù)中繼節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸功能命令。其中姿態(tài)信息 査詢命令用于査詢拖纜的姿態(tài)信息；I/O配置命令用于實現(xiàn)對與本發(fā)明連接的其它模 塊的控制；自檢命令用于設(shè)置節(jié)點處于自檢狀態(tài)；節(jié)點號配置命令用于配置鏈路中 數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的節(jié)點號；量化位數(shù)及通道數(shù)配置命令用于配置數(shù)據(jù)采集模塊接口的 量化位數(shù)和通道數(shù)；設(shè)置中繼節(jié)點命令用于設(shè)置節(jié)點為中繼節(jié)點；恢復(fù)中繼節(jié)點數(shù) 據(jù)傳輸功能命令用于恢復(fù)中繼節(jié)點的正常數(shù)據(jù)傳輸功能。本發(fā)明在設(shè)計時有很大寬 裕性的，隨著系統(tǒng)功能的擴展，完全可以引入更多的控制命令。
從以上的說明可以看出，本發(fā)明可以實現(xiàn)如下基本功能 (1)提供與前端數(shù)據(jù)采集模塊的接口，可對由傳感器接收并經(jīng)A/D采集后的數(shù) 據(jù)進行實時、同步的接收；(2)按照自定義的數(shù)據(jù)包格式規(guī)定對接收的數(shù)據(jù)進行成 幀處理，并按照自定義網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)定將此數(shù)據(jù)插入到串行數(shù)據(jù)流中；(3)對鏈路 中上游數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)不經(jīng)存儲而直接轉(zhuǎn)發(fā)；(4)上電后可實現(xiàn)自動配置， 如節(jié)點號配置、數(shù)據(jù)接口的量化位數(shù)和通道數(shù)配置、1/0配置等；(5)提供自組網(wǎng)和 錯誤定位功能；(6)提供兩種數(shù)據(jù)傳輸模式連續(xù)傳輸模式和批次傳輸模式；(7) 提供作為中繼節(jié)點的功能；(8)識別控制端發(fā)出的復(fù)位指示信號，完成節(jié)點復(fù)位操 作；(9)提供節(jié)點自檢功能；(10)提供I/0控制能力，可實現(xiàn)對與本發(fā)明連接的其 它模塊的控制；(11)提供與姿態(tài)傳感器的接口，當(dāng)干端需要姿態(tài)信息時，可將姿態(tài) 傳感器采集的數(shù)據(jù)實時的發(fā)送給干端數(shù)據(jù)接收模塊。
在本發(fā)明中，電路板的面積不大于107mm*22mm，可以滿足直徑為1.5英寸 G8.1mm)的細纜以及粗纜的應(yīng)用要求，尺寸還可根據(jù)需要進行相應(yīng)的修改。經(jīng)測 試，本發(fā)明對數(shù)據(jù)的最大傳輸速率為150Mbps，最大傳輸距離為多模光纖中2km， CAT5電纜中90m。
需要說明的是，以上介紹的本發(fā)明的實施方案而并非限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)理解，任何對本發(fā)明技術(shù)方案的修改或者等同替代都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的 精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種自配置通用性拖曳線陣的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，包括主處理器(101)、CPLD邏輯電路(102)、Transceiver電路(103)、信道均衡電路(104)、變壓器(105)、時鐘信號源(107)及數(shù)據(jù)采集模塊接口電路(109)；所述的主處理器(101)是主控芯片，用于負責(zé)整個數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的工作調(diào)度；所述的CPLD邏輯電路(102)，用于實現(xiàn)邏輯控制及對數(shù)據(jù)采集模塊提供的數(shù)據(jù)的接收；所述的Transceiver電路(103)，用于完成本地數(shù)據(jù)的發(fā)送、對上游節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)以及干端命令的接收工作；所述的信道均衡電路(104)和變壓器(105)配合使用，用于提高長線傳輸中數(shù)據(jù)的準確性；所述的時鐘信號源(107)，用于通過時鐘信號線(110)為主處理器(101)提供基準時鐘；所述的數(shù)據(jù)采集模塊接口電路(109)，用于對由傳感器接收并經(jīng)A/D采集后的數(shù)據(jù)進行實時、同步的接收；所述的數(shù)據(jù)采集模塊接口電路(109)將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CPLD邏輯電路(102)可以接收的形式后發(fā)送給CPLD邏輯電路(102)，再由CPLD邏輯電路(102)按照自定義網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的規(guī)定將此數(shù)據(jù)插入到串行數(shù)據(jù)流中，發(fā)送給干端數(shù)據(jù)接收模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊接口電路(109)接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的三組差分信號為時鐘信號CLK、幀同步信號SYNC和數(shù)據(jù)信號DATA；所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的初始化參數(shù)可根據(jù)干端發(fā)送的控制命令進行修改，從而實現(xiàn)干端對數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的控制；其特征在于，節(jié)點還包括一自組網(wǎng)和錯誤定位功能塊，該自組網(wǎng)和錯誤定位功能塊，在系統(tǒng)上電后處于鏈路最上游的節(jié)點會自動判斷出自己為主節(jié)點，并向下游節(jié)點發(fā)送組網(wǎng)配置字節(jié)，完成自組網(wǎng)和自定位功能；且通過組網(wǎng)配置，鏈路中各節(jié)點會獲得唯一標識，當(dāng)濕端的數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)問題時，干端可以通過此唯一標識對出現(xiàn)錯誤的節(jié)點進行準確定位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，其特征在于，包括一節(jié)點復(fù)位功能塊， 用于識別控制端發(fā)出的復(fù)位指示信號，當(dāng)有復(fù)位信號到來時，數(shù)據(jù)采集模塊向節(jié)點 提供的SYNC信號會變?yōu)楦唠娖讲⒊掷m(xù)一段時間，所述的節(jié)點復(fù)位功能塊通過檢測 SYNC信號的電平情況來判斷復(fù)位指示命令，完成節(jié)點復(fù)位操作。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，其特征在于，進一步包括一自檢 功能塊，用于檢測節(jié)點工作狀態(tài)，實現(xiàn)對節(jié)點的故障定位；在自檢模式下，如果干 端數(shù)據(jù)接收端可以收到該節(jié)點發(fā)送的固定數(shù)字序列，則可以判定節(jié)點從數(shù)據(jù)采集模 塊接收數(shù)據(jù)時出現(xiàn)了問題；如果干端數(shù)據(jù)接收端無法收到此節(jié)點發(fā)送的固定數(shù)字序 列時，則該節(jié)點的本地數(shù)據(jù)的發(fā)送鏈路發(fā)生了故障。
4、 根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，其特征在于，所述的CPLD邏輯電路(102) 通過數(shù)據(jù)采集模塊接口電路(109)和總線(111)來接收數(shù)據(jù)采集模塊提供 的數(shù)據(jù)；該CPLD邏輯電路(102)可由主處理器(101)進行參數(shù)配置，從而實現(xiàn) 與任意精度A/D數(shù)據(jù)采集模塊的無縫連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集模塊和 節(jié)點之間存在兩種數(shù)據(jù)傳輸模式連續(xù)傳輸模式和批次傳輸模式；在所述的連續(xù)傳輸模式下，節(jié)點會從數(shù)據(jù)采集模塊連續(xù)不斷的接收數(shù)據(jù)，并將 收到的數(shù)據(jù)打包后實時地發(fā)送給干端數(shù)據(jù)接收端；在所述的批次傳輸模式下，節(jié)點將不同時間段從數(shù)據(jù)采集模塊接收的數(shù)據(jù)以不 同的"批次號"來區(qū)分，并將之發(fā)送給數(shù)據(jù)接收端。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，其特征在于，所述的Transceiver電路(103) ，用于完成對上游數(shù)據(jù)的直接轉(zhuǎn)發(fā)，并只對上游數(shù)據(jù)進行中繼放大。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點在 上電后可實現(xiàn)自動配置，其初始化參數(shù)包括節(jié)點號、數(shù)據(jù)接口的量化位數(shù)和通道 數(shù)、1/0參數(shù)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，其特征在于，還包括姿態(tài)傳感器接口 電路(108)，用于提供與姿態(tài)傳感器的接口，當(dāng)干端需要姿態(tài)信息時，可將姿態(tài)傳 感器采集的數(shù)據(jù)實時的發(fā)送給干端數(shù)據(jù)接收模塊。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，其特征在于，還包括非易失性的外部 存儲器EEPROM (106)，用于存儲主處理器(101)執(zhí)行的程序。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，其特征在于，在不超過總的數(shù)據(jù)傳 輸率150Mbps的條件下，所述的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的個數(shù)是任意的，且每個節(jié)點根據(jù)需 要都可由干端設(shè)置為中繼節(jié)點。
全文摘要
本發(fā)明提供一種自配置通用性拖曳線陣的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，包括主處理器(101)、CPLD邏輯電路(102)、Transceiver電路(103)、信道均衡電路(104)、變壓器(105)、時鐘信號源(107)及數(shù)據(jù)采集模塊接口電路(109)；該數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點可以在系統(tǒng)上電后自動完成自組網(wǎng)和自動配置，并且可以通過自檢功能塊對出現(xiàn)問題的節(jié)點進行故障定位；除此之外，數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點還具有I/O控制功能、復(fù)位功能，可作為透明中繼、具有姿態(tài)傳感器接口和與任意精度A/D數(shù)據(jù)采集模塊的接口，可多節(jié)點級聯(lián)完成大量通道數(shù)的實時數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明體積小，可同時滿足細纜和粗纜的應(yīng)用，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達150Mbps，其通用性使之能滿足大部分的拖線陣及地震勘探拖曳漂纜的應(yīng)用要求。
文檔編號G01S7/52GK101644766SQ20091009055
公開日2010年2月10日 申請日期2009年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月20日
發(fā)明者祥 張, 張春華, 李文軍, 李淑秋, 杜立君, 光 楊, 王福釙, 黃海寧 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所