專利名稱：一種塑料光纖總線嵌入式傳感器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種自動化裝置，具體地說是一種測控領(lǐng)域中的工業(yè)檢測傳感器
直O(jiān)
背景技術(shù)：
我國工業(yè)控制傳感器與控制總線的信息傳輸幾乎全部采用電子式網(wǎng)絡(luò)測控終端， 存在使用復(fù)雜、相互干擾大工作穩(wěn)定性差、信息格式轉(zhuǎn)換頻繁和信息檢測種類少等缺點(diǎn)，并 且有時會出現(xiàn)傳感器信息不真實(shí)、不及時的現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化測控總線對多種 傳感器信息的有效接收。例如根據(jù)我國煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)督部門對煤礦瓦斯爆炸原因的調(diào) 查，瓦斯爆炸在很多情況下是因?yàn)橥咚雇蝗淮罅坑砍?。目前，不管是瓦斯傳感器還是瓦斯監(jiān) 測系統(tǒng)，所提供的瓦斯?jié)舛榷贾皇钱?dāng)前安全狀況數(shù)據(jù)，不能對未來的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行預(yù)測，導(dǎo) 致當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r，來不及采取有效的防范措施。必須開放能夠預(yù)測的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)。安 全狀況以及瓦斯傳感器的新一代技術(shù)是光傳輸安全狀況綜合檢測技術(shù)。以瓦斯傳感器檢測 瓦斯?jié)舛葹槔?，?dāng)?shù)V井的瓦斯?jié)舛瘸藁虼嬖诔揠[患時，及時提醒有關(guān)人員采取措施保 護(hù)礦井下的人員、生產(chǎn)設(shè)備以及周圍環(huán)境。目前，實(shí)現(xiàn)瓦斯氣體檢測的技術(shù)有很多，比較常 見的有電化學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)、光纖傳感技術(shù)及光譜探測技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供通過塑料光纖信息耦合器光耦合和信息分離技術(shù)，配合光纖網(wǎng) 絡(luò)測控終端的一種塑料光纖總線嵌入式傳感器裝置。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)C8051對于傳感器信號進(jìn)行ADC信息采集，傳感器信號通過光發(fā)射系統(tǒng)進(jìn) 行不同波長方式進(jìn)行發(fā)射給大口徑塑料光纖，然后大口徑塑料光纖進(jìn)行各種傳感器信號的 接收，并且由PZT控制光纖相移光柵進(jìn)行波長濾波，實(shí)現(xiàn)各個傳感器信息分離，光纖網(wǎng)絡(luò)測 控終端通過光電轉(zhuǎn)換技術(shù)各個傳感器信息，通過IP地址進(jìn)行傳感器物理地址分配，并且加 上時間標(biāo)簽，送入到光纖網(wǎng)絡(luò)中。本發(fā)明有益效果為采用塑料光纖總線光信息耦合器可以拓寬光纖網(wǎng)絡(luò)式總線利 用率，使總線可以通過塑料光纖耦合器把多個傳感信息進(jìn)行發(fā)布式接收并且加以傳遞，可 以壓縮光纖網(wǎng)絡(luò)的測量終端?？梢岳脴?biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)軟件和虛擬儀器軟件開發(fā)多傳感器系統(tǒng)， 減少軟件開發(fā)成本；塑料光纖總線光信息耦合器使光纖網(wǎng)絡(luò)終端體積可以移動應(yīng)用。減低 當(dāng)前光纖總線信息采集的硬件和軟件成本。解決當(dāng)前光纖網(wǎng)絡(luò)測量終端的耦合速度，連線 與移動的困難，解決測量信息連接困難問題。為擴(kuò)展光纖總線和無線總線連接打基礎(chǔ)。使 各種傳感信息按IP地址方便地接入工業(yè)因特網(wǎng)絡(luò)，并且對于多個傳感器的物理位置可以 進(jìn)行定位。


圖1是塑料光纖信息耦合器終端結(jié)構(gòu)。圖2是塑料光纖信息耦合器終端結(jié)與光纖以太網(wǎng)連接圖。圖3是塑料光纖信息耦合器與網(wǎng)絡(luò)連接程序。圖4是塑料光纖總線光信息耦合器結(jié)構(gòu)與工作過程框圖。圖5是采用塑料光纖總線光信息耦合器構(gòu)成山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)。圖6是采用塑料光纖信息耦合器構(gòu)成山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)框圖。圖7是山體滑坡監(jiān)測塑料塑料光纖信息耦合傳感終端結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明1)塑料光纖信息耦合器與工業(yè)光纖以太網(wǎng)連接①塑料光纖信息耦合器與工業(yè)光纖以太網(wǎng)連接采用無線網(wǎng)絡(luò)中繼方式，②塑料光纖信息耦合器利用紅外線無線激光和2. 4G無線電的兼容性，采用統(tǒng)一 的以太網(wǎng)平臺。③塑料光纖信息耦合器其分布有總線型和星形兩種方式。④塑料光纖信息耦合器和因特網(wǎng)的連接采用無線路由器和無線交換機(jī)兩種傳統(tǒng) 方式。2)塑料光纖信息耦合器終端結(jié)構(gòu)，見圖1所示塑料光纖信息耦合器終端結(jié)與光纖 以太網(wǎng)連接圖如圖2所示。塑料光纖總線嵌入式傳感器終端計算機(jī)采用C8051構(gòu)成，①塑料光纖信息耦合器終端計算機(jī)采用C8051構(gòu)成，帶有ADC與、DAC和紅外線光 電收發(fā)器，無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，收發(fā)器通過網(wǎng)絡(luò)光電路由器和交換機(jī)與網(wǎng)絡(luò)連接，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn) 行遠(yuǎn)程信息傳遞。②塑料光纖信息耦合器信息輸入，作傳感器輸入通過ADC作為傳感器信息采集與量 化，通過網(wǎng)絡(luò)終端模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，對物理量進(jìn)行計量，結(jié)果數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳遞。③塑料光纖信息耦合器信息輸出，通過DAC完成，通過網(wǎng)絡(luò)終端接收主要計算機(jī) 的控制指令進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。3)塑料光纖信息耦合器與光纖網(wǎng)絡(luò)連接的軟件平臺①網(wǎng)絡(luò)軟件平臺由LabWIEW+Windows+Quaaga路由包構(gòu)成光纖以太網(wǎng)測控總線平 臺。LabWIEW與Windows遠(yuǎn)程控制功能屬于常規(guī)軟件，Quaaga軟件系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)對瓦斯 監(jiān)測光纖網(wǎng)絡(luò)局端機(jī)控制軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計需求，即需要其實(shí)現(xiàn)的功能主要包括如下內(nèi) 容(a)基于Windows構(gòu)建一個穩(wěn)定的操作系統(tǒng)平臺，為嵌入驅(qū)動和網(wǎng)管程序運(yùn)行提供良好 的平臺支撐，并提供充足的配置文件存儲空間。(b)穩(wěn)定、可靠的驅(qū)動BCM5630X核心交換芯 片，實(shí)現(xiàn)IEEE802. 3z協(xié)議，建立正常的數(shù)據(jù)傳輸通道。(c)根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格書的功能要求，實(shí) 現(xiàn)對應(yīng)的協(xié)議和功能。包括 802. lp，802. lx，802. lq，802. Id, 802. 3x，IGMP，IGMP-snooping， ACL等等。(d)根據(jù)上層網(wǎng)管的需求，提供API接口函數(shù)，使得通過網(wǎng)管界面可以實(shí)現(xiàn)底層 協(xié)議和功能的參數(shù)指配。支持下面的功能(a)支持多種網(wǎng)管功能CLI、TOB、SNMP、EMS等； (b)進(jìn)程(任務(wù))調(diào)度功能，支持特有的內(nèi)部調(diào)度機(jī)制，而不是完全由Dos來調(diào)度；(c) IPC通訊方式可以支持分布式IPC通訊的方式，這樣可以支持多板間無縫通訊；(d)內(nèi)存管理 機(jī)制；可以監(jiān)控內(nèi)存分配和釋放情況；(e)定時器管理機(jī)制；可以定義各種定時器周期性 定時器、相對定時器，絕對定時器等；(f)調(diào)試功能；可以設(shè)置調(diào)試開關(guān)來監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的 狀態(tài)；(g)異常處理功能撲獲異常(死循環(huán)，內(nèi)存非法訪問)；(h)系統(tǒng)可維護(hù)功能內(nèi)存監(jiān) 控功能、調(diào)試打印功能、日志功能、升級功能；建立一個穩(wěn)定可靠的軟件平臺需要時間和經(jīng) 驗(yàn)的積累，完全從頭開發(fā)自己的軟件平臺需要大量的時間。不妨在一個成熟的構(gòu)架上作修 改和移植，避免自己從頭來建立一個構(gòu)架，這樣在軟件開發(fā)過程中就可以重點(diǎn)關(guān)注本系統(tǒng) 的業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)，迅速的開發(fā)出具有自身特色的產(chǎn)品。在開發(fā)業(yè)務(wù)產(chǎn)品的時候，如果認(rèn)為現(xiàn) 有的構(gòu)架可能不夠成熟或以后可能會完全建立自有的平臺構(gòu)架，可以在代碼中調(diào)用該構(gòu)架 提供的接口函數(shù)時，對接口函數(shù)作一層封裝。如在調(diào)用特殊平臺提供的IPC通訊的代碼，可 以封裝為ipc_sendmsg。②塑料光纖信息耦合器終端網(wǎng)絡(luò)連接軟件采用以太網(wǎng)通用軟件。同時具備(a)設(shè) 備升級功能(b)可移植性，構(gòu)架代碼所有代碼采用標(biāo)準(zhǔn)C來實(shí)現(xiàn)，代碼可以直接在PC/linux 和ppc/linux上自由的移植，但由于個別模塊采用了 linux的一些系統(tǒng)調(diào)用，不能自由的移 植到其它os如windows和VxWorks上，但這樣的代碼很少，如果需要的化，可以考慮化人 力來將這部分代碼改寫為完全可移植的代碼。塑料光纖信息耦合器軟件可分為(a)管理子系統(tǒng)，包含SNMP agent, Webserver 和Telnet三個子模塊。SNMP agent即SNMP協(xié)議的代理進(jìn)程，提供和EMS的通訊接口，通 過SMUX(SNMP多路復(fù)用管理)協(xié)議實(shí)現(xiàn)對其他模塊中MIB (管理信息庫)的訪問控制。Web Server即HTTP訪問服務(wù)器模塊，通過運(yùn)行的管理配置頁面，響應(yīng)基于HTTP協(xié)議的訪問請 求，并通過snmp協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對MIB的訪問，從而完成WEB方式的系統(tǒng)配置和維護(hù)。Telnet 即TelnetClient登錄服務(wù)模塊，使用標(biāo)準(zhǔn)的telnet client就可以登錄到系統(tǒng)的主控盤 上，通過CLI提供的各種命令，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的測試、升級等操作。如圖可知，管理應(yīng)用模塊如 下SNMPagent :SNMP協(xié)議的代理進(jìn)程，提供和EMS網(wǎng)管軟件SNMP Manager的通訊接口，并 實(shí)現(xiàn)對MIB的訪問控制。本模塊基于Net-SNMP5. 0. 2開放源代碼軟件包進(jìn)行移植開發(fā)，支持 snmp vl/v2C，支持標(biāo)準(zhǔn)MIB2/EtherMIB等，通過SMUX (擴(kuò)展代理協(xié)議)實(shí)現(xiàn)對其他功能模塊 中MIB的訪問控制。Web Server :HTTP訪問服務(wù)器模塊，通過運(yùn)行的管理配置頁面，響應(yīng)基 于HTTP協(xié)議的訪問請求，并通過snmp協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對smib的訪問，從而完成WEB方式的系 統(tǒng)配置和維護(hù)。Telnet JelnetClient登錄服務(wù)模塊，使用標(biāo)準(zhǔn)的telnet client就可以登 錄到SCU上，提供ANSI/VT100兼容的全屏控制界面，通過CLI提供的各種命令，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的 診斷、測試、升級等操作。telnet功能模塊和系統(tǒng)業(yè)務(wù)模塊、系統(tǒng)支撐模塊統(tǒng)一編譯為一個 SAM進(jìn)程。(b)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的主要功能由各個業(yè)務(wù)子模塊分別提供，由支持子 系統(tǒng)將它們連接起來實(shí)現(xiàn)EP0N的具體功能，整體上劃分為功能業(yè)務(wù)類、驅(qū)動接口類和底層 硬件驅(qū)動類三大類。如上框圖功能業(yè)務(wù)類包含如下功能子模塊23Hot Plug Detection(即 熱插拔檢測及處理)熱插拔檢測及處理功能模塊，用于實(shí)時檢測系統(tǒng)硬件板卡的在位狀 態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的軟件處理。Redundant Protection Swap (主控冗余保護(hù)和倒換處理)主 控冗余保護(hù)和倒換處理模塊，保證系統(tǒng)中在位的兩塊主控盤在同一時間只有一塊處于工作 狀態(tài)，另一塊處于備用狀態(tài)，并實(shí)時監(jiān)測相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)生故障就進(jìn)行自動倒換，以 保障系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)工作。Upgrade(軟件升級)C8000系統(tǒng)還提供了軟件在線升級的功能，通過tftp協(xié)議將軟件加載到SCU上后，在分別加載到各個單板上，完成各個單板軟件的 在線升級。VLAN(虛擬局域網(wǎng))用來提供對底層VLAN處理的API函數(shù)的進(jìn)一步封裝，為上 層管理接口提供簡單清晰的配置接口，實(shí)現(xiàn)802. 1Q VLAN的管理配置功能。IGMP(組播)用 來提供對底層IGMP snooping處理的API函數(shù)的進(jìn)一步封裝，為上層管理接口提供簡單清 晰的配置接口，實(shí)現(xiàn)IGMP snooping的管理配置功能。Others模塊是已提供或者有待擴(kuò)展 的配置功能，C8000系統(tǒng)提供的配置功能還包括802. lp優(yōu)先級、SLA業(yè)務(wù)水平協(xié)定、ACL訪 問控制列表、帶寬分配等等，都需要對底層的相應(yīng)處理函數(shù)作二次封裝，為上層管理接口提 供清晰統(tǒng)一的API接口。驅(qū)動接口類包括P0N芯片提供對P0N芯片的訪問控制和接口函 數(shù)，并在初始化后運(yùn)行若干線程，實(shí)現(xiàn)0LT/0NU的檢測、自動發(fā)現(xiàn)及配置，授權(quán)及加密管理、 業(yè)務(wù)指配、統(tǒng)計量收集等功能。CMD模塊CMD模塊是我們需要的核心，CMD模塊提供了類似 I0S的命令行的接口，它主要提供了命令模板管理、命令行注冊，命令行解析，命令執(zhí)行等功 能，為我們提供了強(qiáng)大的命令行接口。③基本運(yùn)行程序，見圖3。塑料光纖總線光信息耦合器結(jié)構(gòu)與工作過程框圖如圖4所示，光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖其芯層折射率為N1，包層折射率為N2，N2 < N1 ；塑料光纖耦合器 的折射率為N3，N3 < N1所以入射光能夠進(jìn)入光纖網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入后由于N2 < N1，所以光產(chǎn)生 全反射在光纖網(wǎng)絡(luò)中傳輸；在大口徑塑料光纖耦合器前端做成透鏡形狀以利于光的聚焦， 在大口徑塑料光纖耦合器的上面，刻有相移光柵，用來進(jìn)行對光波進(jìn)行波長選擇。傳輸光 纖的傳輸窗口較寬覆蓋各個光纖光柵的濾波范圍，使通過各個光柵的光都能夠在光纖中傳 輸，各個波長的光在光纖網(wǎng)絡(luò)終端中進(jìn)行分別解調(diào)。在需要完成利用工業(yè)測控總線和多傳感器對于工作參數(shù)進(jìn)行快速實(shí)時監(jiān)測的任 務(wù)場合，利用大口徑塑料光纖信息耦和器把各種物理量傳感器信息通過網(wǎng)絡(luò)化方式耦和起 來，構(gòu)建工業(yè)測控的光纖以太網(wǎng)，配合相應(yīng)的工業(yè)測控終端和網(wǎng)絡(luò)軟件，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)快速測 量的工業(yè)測控功能。實(shí)例一采用塑料光纖總線光信息耦合器構(gòu)成山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)。山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測總線系統(tǒng)具有各可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展(通過IP地址定位) 的探測節(jié)點(diǎn)，例如應(yīng)力測量節(jié)點(diǎn)，應(yīng)變式變形探測節(jié)點(diǎn)，山體震動信息采集節(jié)點(diǎn)，光干涉山 體變形信息采集節(jié)點(diǎn)；GPS山體變形信息采集與處理節(jié)點(diǎn)等。各個光傳輸?shù)膫鞲衅餍畔⑼?過大口徑塑料光纖耦合進(jìn)采用分布式的光纖網(wǎng)絡(luò)的測控總線系統(tǒng)。由于塑料光纖耦合器 使光纖總線嵌入式傳感器可以無纜連接而光纖信號傳遞帶寬能力強(qiáng)，通過分布式模塊化結(jié) 構(gòu)的測控終端，完成由傳統(tǒng)485接口所無法完成的多傳感器信息快速傳遞以及信息定位任 務(wù)。塑料光纖總線嵌入式傳感器快速信息傳遞能為信號處理與山體變形識別的復(fù)雜軟件處 理贏得寶貴時間。采用塑料光纖總線光信息耦合器構(gòu)成山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)如圖5所示。實(shí)例二 采用塑料光纖總線嵌入式傳感器構(gòu)成山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)按其功能山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測總線系統(tǒng)具有各可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展(通過 IP地址定位)的探測節(jié)點(diǎn)，例如應(yīng)力測量節(jié)點(diǎn)，變形探測節(jié)點(diǎn)，山體變形圖像信息采集節(jié) 點(diǎn)，光干涉山體變形信息采集節(jié)點(diǎn)；GPS山體變形信息采集與處理節(jié)點(diǎn)。各個光傳輸?shù)膫鞲?器信息通過大口徑塑料光纖耦合進(jìn)采用分布式的基于單模光纖網(wǎng)絡(luò)的測控總線系統(tǒng)。由于 塑料光纖總線嵌入式傳感器無纜連接而光纖信號傳遞帶寬能力強(qiáng)，通過分布式模塊化結(jié)構(gòu)的測控終端，完成由485接口所無法完成的多傳感器信息快速傳遞已經(jīng)信息定位任務(wù)，塑 料光纖總線嵌入式傳感器快速信息傳遞才能為信號處理與山體變形識別的復(fù)雜軟件處理 贏得寶貴時間。如圖6所示。①設(shè)備需要，連有工業(yè)光纖以太網(wǎng)的計算機(jī)一套，塑料光纖信息耦合器傳感終端3 套，山體應(yīng)變傳感器3套。光纖網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)一只，光纖網(wǎng)絡(luò)路由器一個。②塑料光纖信息耦合器控制器結(jié)構(gòu)塑料光纖信息耦合器終端由低功耗C8051單片機(jī)構(gòu)成，由ADC測量山體滑坡應(yīng)變 傳感器輸入，由DAC輸出控制信息，光電信息收發(fā)器和光電耦合測控終端交換信息。光電耦 合測控終端交換信息作為光纖測控以太網(wǎng)的工作終端信息，通過信息網(wǎng)絡(luò)賦予地址標(biāo)記， 測量山體滑坡具體位置的應(yīng)變變化。見圖7。
權(quán)利要求
一種塑料光纖總線嵌入式傳感器裝置，其特征是單片機(jī)C8051對傳感器信號進(jìn)行ADC信息采集，傳感器信號通過光發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行不同波長方式進(jìn)行發(fā)射給大口徑塑料光纖，大口徑塑料光纖進(jìn)行各種傳感器信號的接收，并且由PZT控制光纖相移光柵進(jìn)行波長濾波，實(shí)現(xiàn)各個傳感器信息分離，光纖網(wǎng)絡(luò)測控終端通過光電轉(zhuǎn)換技術(shù)各個傳感器信息，通過IP地址進(jìn)行傳感器物理地址分配，并且加上時間標(biāo)簽，送入到光纖網(wǎng)絡(luò)中。
全文摘要
一種塑料光纖總線嵌入式傳感器裝置，其特征是單片機(jī)C8051對于傳感器信號進(jìn)行ADC信息采集，傳感器信號通過光發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行不同波長方式進(jìn)行發(fā)射給大口徑塑料光纖，大口徑塑料光纖進(jìn)行各種傳感器信號的接收，并且由PZT控制光纖相移光柵進(jìn)行波長濾波，實(shí)現(xiàn)各個傳感器信息分離，光纖網(wǎng)絡(luò)測控終端通過光電轉(zhuǎn)換技術(shù)各個傳感器信息，通過IP地址進(jìn)行傳感器物理地址分配，并且加上時間標(biāo)簽，送入到光纖網(wǎng)絡(luò)中。本發(fā)明的裝置可克服當(dāng)前終端信息耦合的單一性，不可移動性的缺點(diǎn)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)信息交換能力，使總線可以通過多種媒體信息進(jìn)行測控，構(gòu)成移動式網(wǎng)絡(luò)測控總線。
文檔編號H04B10/08GK101854213SQ20101013364
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月29日
發(fā)明者王克家, 王怡 申請人:哈爾濱工程大學(xué)