一种测量仪器专用高速数据传输总线的制作方法

1.本发明涉及一种数据传输总线，具体而言，涉及一种测量仪器专用数据传输总线。


背景技术：

2.数据传输总线，是一个系统中各功能部件之间进行通信、数据交换的通道。各功能部件基于数据传输总线相互连接，通过相应的协议标准，完成数据信息的传递，从而组成一个完整的系统，实现相应的功能。考量数据传输总线的性能通常从传输速率、延迟时间、承载能力、安全性以及接插件的可靠性等角度进行。
3.发明专利cn105045748公开了一种pvib专业虚拟仪器总线——pvib1.0，其主旨在于提供一个集模拟信号调理、传输、采集与数字信号传输、存储为一体的总线标准，其技术方案：包括pvib母板、信号调理插接模块、数据采集插接模块；pvib母板上设置有槽位，槽位包括16个模拟信号槽位、16个数字信号槽位和3个功能扩展槽位；信号调理插接模块与数据采集插接模块对接在pvib木板上的槽位之间。本技术集模拟信号与数字信号为一体的开放式标准仪器总线；通道集成度高，支持112路并行采集通道和上千路串行采集通道；基于高速同步时钟信号和高速同步触发信号可实现多模块通道间的高速同步测量。
4.但是，上述pvib专用虚拟仪器总线采用的是并行差分模式，在产品设计中需要占用大量的io资源，并且多槽并用，设计时背板与模块、模块与模块均会相互影响干扰，布线非常复杂，设计时易出现时序匹配及干扰等问题。
5.有鉴于此，特提出本技术。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是：pvib专用虚拟仪器总线采用的是并行差分模式，在产品设计中需要占用大量的io资源，并且多槽并用，设计时背板与模块、模块与模块均会相互影响干扰，布线非常复杂，设计时易出现时序匹配及干扰等问题，目的在于提供一种测量仪器专用数据传输总线，能够实现各槽有独立的传输带宽，避免模块间相互干扰，减少因设计因素引起的问题，同时节省io资源。
7.本发明通过下述技术方案实现：
8.一种测量仪器专用高速数据传输总线，包括数据传输模块、零槽模块、多个功能模块和背板；所述数据传输模块桥接在所述零槽模块和所述背板之间；所述数据传输模块包括多组数据传输通道，所述背板包括多个槽位，所述数据传输通道与所述槽位一一对应，所述槽位与所述功能模块一一对应；多个所述功能模块插接在多个所述槽位上，与所述零槽模块形成点对点的通信连接。所述数据传输模块包括印刷电路板，多组所述数据传输通道集成在所述印刷电路板上；每组所述数据传输通道包括高速数据传输线、命令传输线、同步信号传输线和模块状态信号传输线。
9.与一种pvib专业虚拟仪器总线相比，本发明提供的一种测量仪器专用高速数据传输总线提出了数据、命令以及同步控制分区概念，即：数据传输通道采用串行收发器，零槽
与功能模块槽1对1方式，构建了高速数据传输通道，实现了模块间的高速数据传输，各槽独立传输互不干涉，这样即能保证各槽有独立的传输带宽，又能避免模块间相互干扰，减少因设计因素引起的问题；命令传输通道采用低速通用串口，用于节省io资源；同步控制通道采用功能槽独立反馈状态，零槽统一控制思路，以保证同步采集控制。命令传输通道，同步控制通道和状态反馈通道组成了仪器总线的应用功能。
10.作为对本发明的进一步描述，所述印刷电路板为standard fr4板材。
11.作为对本发明的进一步描述，所述槽位包括：srio接口、低速串行接口、fpga并行接口、普通串行接口和普通并行接口；所述srio接口对应所述高速数据传输线，所述低速串行接口对应所命令传输线，所述fpga并行接口对应所述同步信号传输线，所述普通串行接口和所述普通并行接口对应所述模块状态信号传输线。
12.作为对本发明的进一步描述，所述槽位的数量为4～12个。
13.发明的进一步描述，所述零槽模块包括3.5吋嵌入式工控板和零槽板；所述3.5吋嵌入式工控板上挂件有sata固态盘，所述3.5吋嵌入式工控板包括千兆网接口、usb2.0接口和wifi接口；所述零槽板包括fpga主芯片和fpga辅芯片，所述fpga主芯片和所述fpga辅芯片分别连接有1片ddr存储芯片。
14.发明的进一步描述，所述功能模块包括调理模块、adc采集模块和采集板。
15.发明的进一步描述，所述调理模块包括对内接口和对外接口，所述对内接口包括双排连接器，所述对外接口包括标准4芯屏蔽连接器；所述采集模块包括模拟输入接口、数字接口、lvds接口和spi接口，所述模拟输入接口包括mmcx屏蔽连接器，所述数字接口焊接在所述采集板上。
16.发明的进一步描述，所述双排连接器的标准间距为2.54mm。
17.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
18.1、本发明实施例提供的一种测量仪器专用高速数据传输总线，以点对点的方式实现模块间高速数据传输，传输速度达到400mb/s～500mb/s；
19.2、本发明实施例提供的一种测量仪器专用高速数据传输总线，能够实现上百路通道的测量功能；
20.3、本发明实施例提供的一种测量仪器专用高速数据传输总线，可插入多种功能模块，支持电压、icp、应变、电荷、恒压、电流、热电偶等多种传感器的应用；
21.4、本发明实施例提供的一种测量仪器专用高速数据传输总线，支持多通道实时采集存储，存储速度150～200mb/s；
22.5、本发明实施例提供的一种测量仪器专用高速数据传输总线，基于高速同步时钟信号和高速同步触发信号可实现多模块通道间的高速同步测量。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
24.图1为本发明实施例提供的测量仪器的结构示意图；
25.图2为本发明实施例提供的零槽模块结构示意图；
26.图3为本发明实施例提供的功能模块结构示意图。
27.附图中标记及对应的零部件名称：
[0028]1‑
数据传输模块，2
‑
零槽模块，3
‑
多个功能模块，4
‑
背板，11
‑
数据传输通道，41
‑
槽位。
具体实施方式
[0029]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0030]
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
[0031]
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
[0032]
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0033]
实施例
[0034]
针对pvib专用虚拟仪器总线采用的是并行差分模式，在产品设计中需要占用大量的io资源，并且多槽并用，设计时背板与模块、模块与模块均会相互影响干扰，布线非常复杂，设计时易出现时序匹配及干扰等问题，本实施例提供一种测量仪器专用高速数据传输总线，是在pvib专用虚拟仪器总线——pvib1.0的基础上定义的集模拟信号调理、传输、采集与数字信号传输、存储为一体的总线标准——pvib2.0，即面向测量领域的一种开放性总线标准，其定义了各功能模块槽位的数据传输通道，同步控制通道和状态反馈通道，基于此标准搭建出的测量仪器，非常适合用以实现测量领域内的各种需求。
[0035]
该测量仪器专用高速数据传输总线——pvib2.0，包括数据传输模块1、零槽模块2、多个功能模块3和背板4；所述数据传输模块1桥接在所述零槽模块2和所述背板4之间；所述数据传输模块1包括多组数据传输通道11，所述背板4包括多个槽位41，所述数据传输通道11与所述槽位41一一对应，所述槽位41与所述功能模块一一对应；多个所述功能模块插接在多个所述槽位41上，通过多组所述数据传输通道11与所述零槽模块2形成点对点的通信连接，构成所述测量仪器专用高速数据传输总线——pvib2.0。所述数据传输模块1包括印刷电路板，多组所述数据传输通道11集成在所述印刷电路板上；每组所述数据传输通道
11包括高速数据传输线、命令传输线、同步信号传输线和模块状态信号传输线。pvib2.0的物理结构如图1所示。
[0036]
与pvib专业虚拟仪器总线相比，该测量仪器专用高速数据传输总线——pvib2.0提出了数据、命令以及同步控制分区概念，即：数据传输通道11采用串行收发器，零槽与功能模块槽1对1方式，构建了高速数据传输通道11，实现了模块间的高速数据传输，各槽独立传输互不干涉，这样即能保证各槽有独立的传输带宽，又能避免模块间相互干扰，减少因设计因素引起的问题；命令传输通道采用低速通用串口，用于节省io资源；同步控制通道采用功能槽独立反馈状态，零槽统一控制思路，以保证同步采集控制。命令传输通道，同步控制通道和状态反馈通道组成了仪器总线的应用功能。
[0037]
其中，印刷电路板采用standard fr4板材。印刷电路板(pcb)绝缘材料的控制，直接决定了i/o信号快速切换所产生的噪音和串扰的强度。pcb介质材料的介电常数直接影响传输线的阻抗。介质材料的介电常数越低，信号传播的速度就越快。选择适当的介质材料会使pcb的介电损耗减少，因为信号频率在1ghz以上时相比于导体损耗，介电损耗占主导地位。对于一个给定的介质材料，介电损耗是由损耗率和耗散因数决定的，较小的损耗率变量将使高速信号的高频衰减更低。因此本实施例根据下表显示的pcb设计中的各种介质材料的介电常数和损耗率信息，选择standard fr4板材作为印刷电路板。
[0038][0039]
为保障数据高速传输，避免协议控制命令占用数据传输带宽开销，协议将高速数据传输先、命令传输线、同步信号传输线进行了分离。针对背板4上的多个槽位41，每一个槽位41包括：srio接口、低速串行接口、fpga并行接口、普通串行接口和普通并行接口；所述srio接口对应所述高速数据传输线，所述低速串行接口对应所命令传输线，所述fpga并行接口对应所述同步信号传输线，以满足信号的实时性要求，且布线等长，使逻辑延时小于100ps，以保证各模块间的同步性；所述普通串行接口和所述普通并行接口对应所述模块状态信号传输线。模块状态反馈是针对各模块的采集状态及功作状态做指示，采用并口串口混用方式，对同步相关的状态标志用并口io反馈到零槽，而与同步无关的状态则用串口反馈，如：模块槽位41号、附加调理功能类型及状态等。
[0040]
需补充说明的是，所述槽位41的数量为4～12个，可实现上百路通道的测量功能。
[0041]
另外，零槽模块2包括3.5吋嵌入式工控板和零槽板，其结构示意图参考图2。其中，3.5吋嵌入式工控板上挂件有sata固态盘，提升存储速度；所述3.5吋嵌入式工控板包括千兆网接口、usb2.0接口和wifi接口，负责对上位机通信及对采集后的数据作分析、存储工作。所述零槽板包括fpga主芯片和fpga辅芯片，负责对各功能模块的同步控制及采集数据接收工作。其中，fpga主芯片负责槽位41的数据接收、采集同步控制以及零槽与功能模块间的命令通讯；fpga辅芯片负责槽位41的数据接收，所述fpga主芯片和所述fpga辅芯片分别连接有1片ddr存储芯片。各fpga各接收到的数据均通过各自的usb3.0接口转入工控板，再由工控板将采集数据传至上位机各存入固态盘。
[0042]
进一步的，上述功能模块包括调理模块、adc采集模块和采集板。模拟信号调理模块负责四路模拟信号的调理功能，可实现对icp、应变、热电偶、等传感器的激励，能对电压信号(单端/差分均可)、电荷信号、电流信号的滤波、放大调理；调理后的模拟信号通过屏蔽电缆直接接入采集模块上，每张采集模块负责四通道的模拟信号采集，同一系列的采集模块功能引脚相互兼容(200k～65msps)，不同功能的调理模块能相互组合在同一张采集底板上实现不能同功能的信号调理，如一张8通道的采集卡，可由一张4通道的应变调理与一张4通道的电荷调理组成，能在一张采集卡上实现同时对应变信号及电荷信号及电压信号的采集。功能模块的结构示意图参考图3。
[0043]
需进一步说明的是，调理模块包括对内接口和对外接口，所述对内接口包括标准间距2.54mm的双排连接器，用于对模块供电及用uart控制放大及滤波等功能，并采用mmcx屏蔽连接器将模拟信号输出到采集模块上。所述对外接口包括标准4芯屏蔽连接器，用于模拟信号输入。所述采集模块包括模拟输入接口、数字接口，所述模拟输入接口包括mmcx屏蔽连接器，用于将调理后的模拟信号输入进模块；所述数字接口采用邮票孔技术焊接在所述采集板上，以减小干扰及节省采用其他连接器的物料成本。需补充说明的是，为最大化的利用采集板，保证高速及低速采集芯片均能使用，接口同时保留了lvds接口和spi接口。
[0044]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。