基于GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)

挑戰(zhàn)：

構(gòu)建大型分布式數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)分布在近30公里長(zhǎng)的東海大橋上，范圍較廣，同時(shí)大橋處于外海，并擔(dān)負(fù)著連接市區(qū)與深水港樞紐的重任，因此需要對(duì)橋梁健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的正確性對(duì)于橋梁的評(píng)估和研究顯得尤為重要。

應(yīng)用方案：使用GPS PPS時(shí)鐘同步技術(shù)，對(duì)分布在橋體各個(gè)位置的采集機(jī)站進(jìn)行采樣時(shí)鐘同步，每個(gè)采集機(jī)站都采用NI公司的PXI工控機(jī)箱以及相關(guān)的板卡與GPS時(shí)鐘同步信號(hào)接收器相連。在此硬件基礎(chǔ)上，通過NI公司LABVIEW平臺(tái)以及相關(guān)軟件開發(fā)包來設(shè)計(jì)開發(fā)整個(gè)同步采集系統(tǒng)。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW 7.1
NI-SYNC 時(shí)鐘同步開發(fā)包
PXI-1045 PXI機(jī)箱
PXI-8187 PXI主控制器
PXI-6652 同步時(shí)鐘模塊
PXI-6602 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器
PXI-4472B 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡


介紹 

采集系統(tǒng)自身的環(huán)境限制導(dǎo)致設(shè)備的分散性，保證各個(gè)采集設(shè)備之間數(shù)據(jù)的同步性，使之分析出來的結(jié)果更具有研究和使用價(jià)值，并在一個(gè)可控的成本下實(shí)現(xiàn)，是擺在設(shè)計(jì)者面前的難題。相對(duì)于其他2種技術(shù)方案：基于短距離低成本的機(jī)箱同步技術(shù)和基于長(zhǎng)距離高成本的衛(wèi)星同步技術(shù)。
GPS PPS是一種集2者優(yōu)點(diǎn)于一身的時(shí)鐘同步技術(shù)。不僅能獲得和高成本技術(shù)相同的效果，并且還能節(jié)約大量成本。

正文：

一．分布式實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)概述

東海大橋由于身處外海海域，不僅需要經(jīng)受海水腐蝕、地震臺(tái)風(fēng)自然災(zāi)害、還有各種通行工具對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成緩慢的損害。對(duì)橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為了及時(shí)獲知橋梁的健康狀況，對(duì)各種突發(fā)時(shí)間做出響應(yīng)，以及進(jìn)行必要的養(yǎng)護(hù)工作，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還能進(jìn)行進(jìn)一步研究分析，對(duì)橋梁的基礎(chǔ)研究具有非常大的幫助。

為什么要使用時(shí)鐘同步技術(shù)？由于橋梁屬于較為特殊的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造范圍很廣，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散在各處，很多監(jiān)測(cè)項(xiàng)目又具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，例如地震、臺(tái)風(fēng)、交通事故等等，對(duì)于各部位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要非常準(zhǔn)確的時(shí)間同步，一般的數(shù)據(jù)采集技術(shù)難以達(dá)到監(jiān)測(cè)要求，如果不采用時(shí)鐘同步技術(shù)，極有可能造成各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時(shí)間上的微小誤差，不僅造成監(jiān)測(cè)結(jié)果的不準(zhǔn)確，還嚴(yán)重影響了對(duì)橋梁健康的研究分析。而通過GPS時(shí)鐘同步技術(shù)完全可以避免這些問題。

二．GPS PPS技術(shù)和其他時(shí)鐘同步技術(shù)介紹與比較

圖1 橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警監(jiān)測(cè)圖

如圖1所示，整個(gè)采集系統(tǒng)分散在橋梁的各個(gè)部位。橋梁按照區(qū)域劃 分為若干區(qū)段，在主要幾個(gè)區(qū)段中安置著信號(hào)采集機(jī)站，各個(gè)采集機(jī)站之間相距幾公里甚至十幾公里，每組采集機(jī)站均和GPS同步時(shí)鐘接受器相連，GPS PPS接收器接受GPS時(shí)鐘同步信號(hào)，做相應(yīng)的處理得到時(shí)鐘同步信號(hào)和絕對(duì)時(shí)間戳并發(fā)送給PXI采集設(shè)備，采集設(shè)備接收處理后的GPS同步信號(hào)，達(dá)到同步整個(gè)分布式采集系統(tǒng)。
這里說的時(shí)鐘同步有2方面含義：

數(shù)據(jù)采樣頻率的同步，包括采樣時(shí)鐘信號(hào)的脈沖同步以及相位同步。
 
時(shí)間軸上的同步，即采樣點(diǎn)時(shí)間標(biāo)簽的同步。

只有2方面都達(dá)到同步，才能稱為真正的同步采集。

目前除了GPS PPS時(shí)鐘同步技術(shù)方案外，主要還有其他2種時(shí)鐘同步技術(shù)方案：

1.機(jī)箱直連時(shí)鐘同步技術(shù)：
主要采用了PXI-6653時(shí)鐘同步模塊的時(shí)鐘頻率共享技術(shù)，每個(gè)采集設(shè)備中都裝有PXI 6653時(shí)鐘同步模塊，然后用同軸電纜把各個(gè)采集設(shè)備的6653模塊相連，以其中一個(gè)模塊作為主模塊，其余的作為從模塊；主模塊內(nèi)部的時(shí)鐘信號(hào)通過同軸電纜同步從模塊內(nèi)部的時(shí)鐘信號(hào)，PXI-4472B都用次信號(hào)作為采樣時(shí)鐘。時(shí)間戳同步可以采用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器。

2.GPS IRIG-B時(shí)鐘同步技術(shù)：
該技術(shù)與GPS PPS技術(shù)極為相似，都是通過GPS接收器接收GPS同步信號(hào)，做相應(yīng)的處理并發(fā)送給采集設(shè)備做采集同步，和GPS PPS所不同的是IRIG-B時(shí)鐘同步信號(hào)中含有絕對(duì)時(shí)間，需要由PXI-6608來接收該信號(hào)，并將其解析為可用的時(shí)間戳。
 
3.三種時(shí)鐘同步技術(shù)的比較：

1)適用性
機(jī)箱同步技術(shù)由于電纜的局限性，距離過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減，很難做到公里級(jí)數(shù)的時(shí)鐘同步采集，所以在本系統(tǒng)中無法適用。而GPS PPS和GPS IRIG-B技術(shù)都采用衛(wèi)星來作為同步時(shí)鐘信號(hào)傳輸?shù)妮d體，可以做到無地域限制的同步采集，符合本系統(tǒng)的同步需求。

2)準(zhǔn)確性
機(jī)箱同步技術(shù)采用主從時(shí)鐘模塊同步的方式，以一個(gè)時(shí)鐘模塊的內(nèi)部時(shí)鐘作為其余時(shí)鐘模塊的參考時(shí)鐘，雖然理論上同步的準(zhǔn)確性可以保證，但是由于信號(hào)通過電纜作為載體發(fā)送，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，電纜的自身老化以及外部的突發(fā)事件是否會(huì)對(duì)信號(hào)的造成干擾，不得而知。而其它2種GPS技術(shù)，在時(shí)鐘信號(hào)的傳輸上都采用衛(wèi)星無線發(fā)送，極少極少會(huì)受到信號(hào)干擾，唯一需要擔(dān)心的是信號(hào)接收天線的維護(hù)。

3)成本對(duì)比
機(jī)箱同步技術(shù)由于無需額外的GPS信號(hào)接收設(shè)備，所以成本最低。GPSIRIG-B技術(shù)不僅需要額外采用相對(duì)昂貴的PXI-6608，還須包括GPS IRIG-B信號(hào)接收器的成本。而GPS PPS可以把PXI-6608換成便宜的PXI-6602，PXI-6653換成PXI-6652，并且GPS PPS信號(hào)接收器的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GPS IRIG-B。

三．GPS PPS時(shí)鐘同步技術(shù)的系統(tǒng)組成 

該系統(tǒng)主要由GPS接收器和NI PXI采集設(shè)備2大部分組成。結(jié)構(gòu)如圖2：

1.GPS接收器系統(tǒng)組成 
GPS同步時(shí)鐘接收器的輸入端連接著一個(gè)GPS信號(hào)接受天線，接受來自GPS衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)，輸出端分為3部分：

10M PPS（Pulse Per Second）信號(hào)：用于同步采集系統(tǒng)，作為采集系統(tǒng)的采樣基頻。此信號(hào)不包含任何的時(shí)間信息，僅僅為簡(jiǎn)單的脈沖信號(hào)，脈沖間隔為10納秒。
 
PPS（Pulse Per Second）信號(hào)：用于采集系統(tǒng)觸發(fā)采集使用，此信號(hào)同上，僅僅為簡(jiǎn)單的脈沖信號(hào)，脈沖間隔為1秒。絕對(duì)時(shí)間（GMT）信號(hào)：用于替代采集系統(tǒng)自身的時(shí)間標(biāo)簽，此信號(hào)采用NEMA標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于PPS（Pulse Per Second）信號(hào)，如圖所示，它是一個(gè)很簡(jiǎn)單的，不包含任何時(shí)間信息（年或月之類）的脈沖信號(hào)，以1 PPS為例，每秒發(fā)生1次脈沖，每個(gè)脈沖的寬度通常為100毫秒，PPS信號(hào)是一種較為簡(jiǎn)單的同步技術(shù)，但其效果卻不亞于任何復(fù)雜的同步時(shí)鐘信號(hào)。

圖2 GPS PPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)組成圖 

絕對(duì)時(shí)間信號(hào)，該信號(hào)采用NEMA標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)形式為GMT時(shí)間，以字符串方式顯示，例如“06.001…..”，其中第一部分為年份，第二部分為年中天數(shù)，第三部分為一天的具體時(shí)間，精確到秒級(jí)。

2.PXI采集設(shè)備系統(tǒng)組成 

PXI采集設(shè)備采用NI PXI-1045 18槽機(jī)箱，NI PXI-8187主控制器為主，采集卡為NI PXI 6652、6602、4472B，其中： 

PXI 6652時(shí)鐘同步模塊采用NI提供的SMB接口與GPS接收器的10M PPS輸出端相連，接收10M PPS時(shí)鐘信號(hào)，并且將此時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，把分頻后的時(shí)鐘信號(hào)提供到PXI機(jī)箱背板，提供給高速同步采集卡PXI 4472B作為采樣時(shí)鐘頻率。

PXI-6602計(jì)數(shù)器采用接線段子板與GPS接收器的1 PPS輸出端相連，需要同時(shí)接入2個(gè)輸入端口，都接收1 PPS信號(hào)，第一個(gè)輸入端收到信號(hào)后，按1 PPS頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，并設(shè)定采集時(shí)間，當(dāng)達(dá)到采集的起始時(shí)間，PXI-6602提供觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)PXI-4472B開始采集；第二個(gè)輸入端的1 PPS頻率脈沖為4472B提供相位同步觸發(fā)脈沖。

PXI-8187控制器的標(biāo)準(zhǔn)232串口與GPS接收器的絕對(duì)時(shí)間輸出端相連，接收GPS接收器提供的絕對(duì)時(shí)間信息，并計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔＋觸發(fā)開始的絕對(duì)時(shí)間來獲取該采樣點(diǎn)的絕對(duì)時(shí)間標(biāo)簽。

需要注意的是，PXI-6652采集卡必須插在機(jī)箱的第二個(gè)槽位，即主控制器相鄰的槽位，否則時(shí)鐘同步無效。

四．系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 

該系統(tǒng)的軟件開發(fā)是以LabVIEW 7.1為平臺(tái)，并配以NI-SYNC開發(fā)工具包。采用PXI-1045 18槽機(jī)箱，PXI-8187主控制器，PXI-6652時(shí)鐘同步模塊，PXI-6602計(jì)數(shù)器模塊，PXI-4472B動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡等作為硬件基礎(chǔ)。

圖3 GPS PPS信號(hào)接收器硬件組成圖

開發(fā)人員則通過NI-SYNC時(shí)鐘同步開發(fā)工具包以及LabVIEW DAQmx采集模塊對(duì)相關(guān)硬件進(jìn)行開發(fā)。

1.獲取GPS時(shí)鐘同步信號(hào)首先通過NI-SYNC開發(fā)工具包提供的編程模塊對(duì)PXI-6652進(jìn)行相應(yīng)配置。開啟6652的PLL鎖相環(huán)以及PLL頻率，設(shè)置10M PPS信號(hào)的輸入端獲取同步時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)分頻，將分頻后時(shí)鐘信號(hào)發(fā)布到機(jī)箱背板的PXI_STAR信號(hào)線上進(jìn)行時(shí)鐘頻率脈沖同步，并將PXI_Trig2觸發(fā)線（源）連接到PXI_Trig5觸發(fā)線上，以同步頻率時(shí)鐘為觸發(fā)頻率進(jìn)行相位同步的設(shè)置。

圖4 PXI 工控機(jī)箱硬件組成圖

2.配置6602計(jì)數(shù)器模塊通過LabVIEW DAQmx模塊對(duì)PXI 6602進(jìn)行配置，首先設(shè)置6602的第2個(gè)1 PPS輸入端將信號(hào)發(fā)送給PXI_Trig2給4472B的相位同步做準(zhǔn)備，然后設(shè)置6602的第1個(gè)1 PPS輸入斷將信號(hào)發(fā)送給PXI_Trig0作為4472B觸發(fā)采集信號(hào)，最后根據(jù)定時(shí)觸發(fā)采樣的時(shí)間戳，設(shè)置6602倒計(jì)時(shí)器的初始數(shù)值，倒計(jì)時(shí)開啟觸發(fā)采樣。

3.觸發(fā)4472B動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡通過LabVIEW DAQmx模塊，將PXI_STAR信號(hào)線作為4472B的采樣時(shí)鐘頻率源的時(shí)鐘頻率，將PXI_Ttrig5信號(hào)線作為相位同步源；并設(shè)置PXI_TRIG0信號(hào)通過6602的計(jì)時(shí)觸發(fā)信號(hào)開啟4472B的采集工作。

圖5 GPS時(shí)鐘同步采集系統(tǒng)測(cè)試界面

如圖5所示，完成所有設(shè)置，并開啟采集任務(wù)后，按照預(yù)定的采集時(shí)間，采集設(shè)備自動(dòng)同步開始采集。經(jīng)檢驗(yàn)，采樣數(shù)據(jù)無論從采樣時(shí)鐘同步還是相位同步都達(dá)到了預(yù)期的要求。

五．總結(jié)與展望

本系統(tǒng)采用了目前技術(shù)領(lǐng)先的GPS PPS時(shí)鐘同步技術(shù)，以及NI模塊化數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

通過對(duì)現(xiàn)有的采集同步技術(shù)進(jìn)行一系列對(duì)比，從適用性、準(zhǔn)確性、成本等多方面考慮，GPS PPS時(shí)鐘同步技術(shù)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，并倚靠LabVIEW強(qiáng)大的開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，成功的完成了整個(gè)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)功能指標(biāo)，節(jié)約了大量的人力物力成本。

GPS同步技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展以及大量應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)有了比較成熟的開發(fā)方案，與現(xiàn)有的NI采集系統(tǒng)相結(jié)合開發(fā)，對(duì)于大型分布式采集系統(tǒng)，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，不僅打破了原有時(shí)鐘同步技術(shù)的地域局限，并且在完成相同功能的情況下，降低了GPS技術(shù)的開發(fā)成本。該系統(tǒng)目前已經(jīng)全部開發(fā)完成并投入了正式的運(yùn)行，對(duì)東海大橋的健康安全起著至關(guān)重要的作用，得到了業(yè)主以及相關(guān)橋梁研究人員的肯定；除了橋梁健康監(jiān)測(cè)以外，其他一些大型結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的健康監(jiān)測(cè)也完全適用于該系統(tǒng)，應(yīng)用前景非常廣闊。