一种基于光信号同步的数据采集设备及系统的制作方法

本技术涉及结构安全监测，特别涉及一种基于光信号同步的数据采集设备及系统。

背景技术：

1、目前，在结构安全监测技术领域，对于动态物理量的监测多采用同步数据采集仪，即采集仪内部通道之间同步采样，以保证被监测数据能在同一时刻被捕获。因为结构的响应（如振动、应变、位移）是一个动态过程，各个测点的数据在时间上是高度相关的。例如，一个冲击事件（如地震、车辆通过、强风）产生的振动波会依次到达结构的不同位置，同步采集确保了所有传感器记录的是同一时刻的结构状态，这对于分析事件传播路径、识别模态振型、计算相位差等至关重要。而当结构物需要监测的位置多于一台数据采集仪的通道数量时，就需要通过采用多台数据采集仪之间的同步技术，来实现更多传感器的同步监测需求。

2、目前，多台数据采集仪之间的同步技术主要有基于gps秒脉冲信号实现的同步触发、基于电信号的同步时钟，其存在以下问题：

3、现有技术存在的主要问题：

4、1、基于gps秒脉冲信号实现的同步触发方式：在室内或隧道等没有gps信号的时候，无法实现同步，也就是在无gps信号的场景应用受限；为解决场景受限问题，需要增加gps馈线长度，将天线安装到有gps信号的位置，增加了馈线和使用成本。此外，gps信号还易受环境因素影响，比如天气以及电离层扰动、太阳风暴等。

5、2、基于电信号的同步时钟方式：距离受限，一般同步近距离只能在几十米，同时信号易受电磁干扰。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种基于光信号同步的数据采集设备及系统，用于至少解决上述现有技术问题之一。

2、为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

3、一种基于光信号同步的数据采集设备，其结构特点是包括多个信号链、模数转换器、时钟信号发生器、fpga、光模块、微控制器、通信模块，其中，多个信号链均与模数转换器相连，模数转换器与fpga相连，fpga通过微控制器与通信模块相连，时钟信号发生器、光模块均与fpga相连；光模块上具有用于外连光纤的光纤接口；所述光模块的工作模式包括主机工作模式和从机工作模式。

4、作为一种优选方式，所述信号链包括依次相连的信号放大器、抗混叠滤波器、电平转换器、模数转换驱动器；所述信号放大器用于接收传感器测量信号，所述模数转换驱动器与模数转换器相连。

5、作为一种优选方式，所述模数转换器为采用多个独立内核的模数转换器，每个独立内核对应一个通道的信号链。

6、作为另一种优选方式，所述模数转换器为具备多个采样保持器的多路模数转换器，模数转换器包括共享的高速模数转换器内核；模数转换器的每个模拟输入通道前端配备一个采样保持器，在采样时刻，通过高速多路复用器依次将各通道的采样保持器连接到共享的高速模数转换器内核。

7、作为一种优选方式，所述时钟信号发生器为晶体振荡器。

8、作为一种优选方式，所述通信模块为有线通信模块或无线通信模块。

9、基于同一个发明构思，本实用新型还提供了一种基于光信号同步的数据采集系统，其结构特点是包括多台所述的数据采集设备，多台数据采集设备的光模块之间通过光纤互连，各数据采集设备的微处理器通过通信模块接收工作模式指令，同时各数据采集设备的微处理器基于工作模式指令通过fpga将对应的光模块设置为主机工作模式或从机工作模式。

10、作为一种优选方式，多台数据采集设备的光模块之间组成总线型多级网络，第一级光模块的工作模式为主机工作模式，其余各级光模块的工作模式均为从机工作模式。

11、作为另一种优选方式，多台数据采集设备的光模块之间组成星型网络，各光模块的工作模式均为从机工作模式。

12、作为一种优选方式，所述时钟信号发生器用于给fpga提供基准同步时钟信号，所述fpga生成模数转换器对应采样率所需的工作频率；主机工作模式的光模块将对应的工作频率发送至下一级从机工作模式的光模块；从机工作模式的光模块接收到包含工作频率的光信号后，将光信号转换成电信号并发送给对应的fpga用于采样，同时将同步时钟电信号转换成同步时钟光信号，继续传输给下一级从机工作模式的光模块。

13、与现有技术相比，本实用新型利用光信号传输损耗小、不受电磁干扰影响、传输速度相比电信号更快等优点，实现远距离部署的多台数据采集设备之间的高精度同步采样。

1.一种基于光信号同步的数据采集设备，其特征在于，包括：多个信号链（1）、模数转换器（2）、时钟信号发生器（3）、fpga（4）、光模块（5）、微控制器（6）、通信模块（7），其中，

2.根据权利要求1所述的基于光信号同步的数据采集设备，其特征在于，所述信号链（1）包括依次相连的信号放大器、抗混叠滤波器、电平转换器、模数转换驱动器；所述信号放大器用于接收传感器测量信号，所述模数转换驱动器与模数转换器（2）相连。

3.根据权利要求1所述的基于光信号同步的数据采集设备，其特征在于，所述模数转换器（2）为采用多个独立内核的模数转换器（2），每个独立内核对应一个通道的信号链（1）。

4.根据权利要求1所述的基于光信号同步的数据采集设备，其特征在于，所述模数转换器（2）为具备多个采样保持器的多路模数转换器，模数转换器（2）包括共享的高速模数转换器内核；模数转换器（2）的每个模拟输入通道前端配备一个采样保持器，在采样时刻，通过高速多路复用器依次将各通道的采样保持器连接到共享的高速模数转换器内核。

5.根据权利要求1所述的基于光信号同步的数据采集设备，其特征在于，所述时钟信号发生器（3）为晶体振荡器。

6.根据权利要求1所述的基于光信号同步的数据采集设备，其特征在于，所述通信模块（7）为有线通信模块或无线通信模块。

7.一种基于光信号同步的数据采集系统，其特征在于，包括多台如权利要求1-6任一项所述的数据采集设备，多台数据采集设备的光模块（5）之间通过光纤（8）互连，各数据采集设备的微处理器通过通信模块（7）接收工作模式指令，同时各数据采集设备的微处理器基于工作模式指令通过fpga（4）将对应的光模块（5）设置为主机工作模式或从机工作模式。

8.根据权利要求7所述的基于光信号同步的数据采集系统，其特征在于，多台数据采集设备的光模块（5）之间组成总线型多级网络，第一级光模块（5）的工作模式为主机工作模式，其余各级光模块（5）的工作模式均为从机工作模式。

9.根据权利要求7所述的基于光信号同步的数据采集系统，其特征在于，多台数据采集设备的光模块（5）之间组成星型网络，各光模块（5）的工作模式均为从机工作模式。

10.根据权利要求8所述的基于光信号同步的数据采集系统，其特征在于，所述时钟信号发生器用于给fpga（4）提供基准同步时钟信号，所述fpga（4）生成模数转换器对应采样率所需的工作频率；主机工作模式的光模块（5）将对应的工作频率发送至下一级从机工作模式的光模块（5）；从机工作模式的光模块（5）接收到包含工作频率的光信号后，将光信号转换成电信号并发送给对应的fpga（4）用于采样，同时将同步时钟电信号转换成同步时钟光信号，继续传输给下一级从机工作模式的光模块（5）。