一种多CPU远程单线数据采集系统的制作方法

本实用新型属于地下水采集领域，具体涉及一种多CPU远程单线数据采集系统。

背景技术：

现有的多CPU通信基本采用的是RS232、RS485、CAN、以太网等技术，这些技术的优势的传输速率高，缺点是要求的线缆多、距离近，并且不能在供电线路上进行传输数据，如图1，传统的测井基本上都是单节点传感器测量。

近些年来国家对环境保护越来越重视，对地下水的保护更是迫在眉睫。地下水，是指赋存于地面以下岩石空隙中的水，狭义上是指地下水面以下饱和含水层中的水。在国家标准《水文地质术语》(GB/T 14157-93)中，地下水是指埋藏在地表以下各种形式的重力水。地下水是水资源的重要组成部分，由于水量稳定，水质好，是农业灌溉、工矿和城市的重要水源之一。但在一定条件下，地下水的变化也会引起沼泽化、盐渍化、滑坡、地面沉降等不利自然现象。

由于地下水处于地表深处需要打深井对其进行监测，考虑成本和可靠性等因素，监测井一般直径小、深度深(目前深度5000米)，所以对其监测有非常大的难度。因此对井下监测仪器的的性能、功耗、体积、成本等有着苛刻的要求。为此我公司针对这种特殊的环境研发了合适此环境应用的压力、温度、流量、盐度、硫化等测试仪器。

现有中国专利文件CN201710353347.8公布了一种地下水监测数据采集发布管理系统，其主要技术方案为：地下水监测数据采集发布管理系统，所述系统包括：

数据层：用于存储地下水资源数据，所述地下水资源数据包括：基础空间数据、地下水基础数据和地下水专题数据；

支撑层：用于提供访问所述地下水监测数据采集发布管理系统的接口；

应用层：通过监测设备采集所述地下水资源数据，经过整理后发布相关结果数据；

用户层：用于管理用户注册、登录所述地下水监测数据采集发布管理系统，及设定注册用户的访问权限；

所述应用层包括：第一子系统和第二子系统；所述第一子系统为地下水动态调查评价网络管理数据库子系统，在地下水资源数据的历史数据和通过监测设备采集的实时地下水资源数据的基础上，对目标区域地下水数据进行统计、分析，并将得到的统计分析结果制作成报表后发布；所述第二子系统为地下水监测设备管理子系统，用于对地下水监测设备的新增、编辑、删除、使用记录和维护记录进行管理。与本实用新型方案不同。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决上述问题，提供一种多CPU远程单线数据采集系统，其成本低、连接简单可靠，且经济效益和工作效率高。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种多CPU远程单线数据采集系统，包括地面设备及若干井下设备，所述地面设备及井下设备通过通信钢缆进行连接，所述地面设备连接IOT，所述地面设备与井下设备、井下设备彼此之间均通过单线高压曼彻斯特编码通信；所述地面设备及井下设备分别由不同的CPU进行单独控制。

进一步的，所述通信钢缆由软铜导线及多芯钢丝绳构成。

进一步的，所述井下设备采用可调节高压直流电源进行供电。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型供电线路单线高压数据传输和多CPU之间单线数据通信，其成本低、连接简单可靠；通过供电线路实现长距离通信(最远可达8千米)，由于采用了与供电线路公用的通信通道，所以降低了对通信线路的线对数量、阻抗、线径等要求，直接大幅度的降低了线缆的成本、使维护的工作量也大幅度的降低，基本做到了免维护，经济效益和工作效率明显提高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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的附图。

图1为现有单节点传感器测量示意图；

图2为本实用新型系统框图；

图3为本实用新型设备通信方式示意图；

图4为本实用新型通信钢缆结构示意图；

图5为本实用新型曼彻斯特编码规则示意图；

图6为本实用新型多CPU单线通信接口原理框图。

具体实施方式

如图2-4所示的一种多CPU远程单线数据采集系统，包括地面设备1及若干井下设备2，所述地面设备1及井下设备2通过通信钢缆3进行连接，所述地面设备1连接IOT，所述地面设备1与井下设备2、井下设备2彼此之间均通过单线高压曼彻斯特编码通信；所述地面设备1及井下设备2分别由不同的CPU进行单独控制。

地下水监测是除了监测水位、温度以外还要监测压力、盐度、硫化度等的测量，另外还需要在同一口井里进行不同深度的同步监测，以得到三维的监测数据，所以必须采用多CPU同步采集与测量。由于监测井的直径小，因此要求地面设备与井下采集设备的连接简单可靠，目前我们采用单芯多股通信钢缆3连接方式，通信钢缆3用于物理连接井下监测设备并提供与井下测试设备的通信和供电通道，通过钢缆中心的软铜导线31与外表的钢丝绳32组成井下测试设备的供电和通信回路。被测量点通常在地表下几十米至几千米，因此我们采用可调节高压直流电源为井下设备2供电，并在供电回路上进行数据通信。

现在测试井的深度越来越深，所要测量的数据种类也越来越多，对仪器的设计要求越来越苛刻。不仅要求高温高压还需要多传感器采集或者多传感器同步采集，因此为了满足这些现代测井的要求，本实用新型专门针对这种测井模式研发了多CPU采集系统，并在外场使用得到了一致好评。

为了增加通信地面设备与井下仪器的通信距离，我们采用单线高压曼彻斯特编码通信，井下设备2之间也是此模式相互通信，并且此通信是寄生在供电回路中。采用这种模式能节约大量的通信电缆节约成本，而且连接简单可靠。

数字信号编码是要解决数字数据的数字信号表示问题，即通过对数字信号进行编码来表示数据。数字信号编码的工作一般由硬件完成，常用的编码方法有以下三种：不归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码。

差分曼彻斯特编码是一种使用中位转变来计时的编码方案。数据通过在数据位开始处加一转变来表示。令牌环局域网就利用差分曼彻斯特编码方案。在每个时钟周期的中间都有一次电平跳变，这个跳变做同步之用。在每个时钟周期的起始处：跳变则说明该比特是0，不跳变则说明该比特是1。

差分曼彻斯特编码的优点为：收发双方可以根据编码自带的时钟信号来保持同步，无需专门传递同步信号的线路，因此成本低；缺点为：实现技术复杂。

曼彻斯特编码(ManchesterEncoding)，也叫做相位编码(PE)，是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。曼彻斯特编码被用在以太网媒介系统中。曼彻斯特编码提供一个简单的方式给编码简单的二进制序列而没有长的周期没有转换级别，因而能防止时钟同步的丢失，或来自低频率位移在贫乏补偿的模拟链接位错误。在这个技术下，实际上的二进制数据被传输通过这个电缆，不是作为一个序列的逻辑1或0来发送的(技术上叫做反向不归零制(NRZ))。相反地，这些位被转换为一个稍微不同的格式，它通过使用直接的二进制编码有很多的优点。

曼彻斯特编码，常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示"0"，从低到高跳变表示"1"。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示"0"或"1"，有跳变为"0"，无跳变为"1"。

如图5，曼彻斯特编码的编码规则是：在信号位中电平从低到高跳变表示1，在信号位中电平从高到低跳变表示0。

如图6为多CPU单线通信接口原理：

多CPU通信分为三种通信方式：

A：地面设备1与井下设备2之间的通信。

B：井下设备2与井下设备2之间的通信。

C:井下设备2通过地面设备1转发实现与其他井下设备2之间的通信。

A：地面设备1与井下设备2之间的通信：

这种多CPU之间的通信速率我们采用了38400bps，地面CPU通过曼彻斯特编解电路编码后再发送至供电的电源线上，井下CPU通过曼彻斯特解码电路收到电源线上的通信数据后，经过握手信令来识别地面设备是否需要自己与其通信，如果发现是地面设备需要与自己通信，那么就通过自己这边的曼彻斯特编码电路给地面CPU发送通信线路可以建立的回应，这样地面设备1就可以井下任何设备可以建立通信了。

B：井下设备2与井下设备2之间的通信：

这种多CPU之间的通信速率我们也采用38400bps。井下某CPU需要与井下其他CPU通信时，先通过曼彻斯特编码电路发送仲裁请求地面CPU，地面CPU收到仲裁请求后发特定指令到井下CPU，通知所有井下CPU通信线需要被其他CPU占领，不能发送和接收数据，此时此供电线路上的通信只有井下需要通信的两个CPU所占有。而地面CPU一直处于监听状态，如果井下发送放弃总线仲裁指令，那么地面CPU就发送总线正常指令到井下各个CPU，通知大家总线正常，大家可以正常发送数据。

C：井下设备2通过地面设备1转发实现与其他井下设备2之间的通信。

此通信模式我们也是采用38400bps的通信速率。井下所有CPU之间的通信数据全部发送至地面CPU，再通过地面CPU转发到井下的CPU上。

本实用新型供电线路单线高压数据传输和多CPU之间单线数据通信，其成本低、连接简单可靠；通过供电线路实现长距离通信(最远可达8千米)，由于采用了与供电线路公用的通信通道，所以降低了对通信线路的线对数量、阻抗、线径等要求，直接大幅度的降低了线缆的成本、使维护的工作量也大幅度的降低，基本做到了免维护，经济效益和工作效率明显提高。

本实用新型中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。