基于GPS技術(shù)實(shí)現分布式數據同步采集系統

挑戰：

構建大型分布式數據同步采集系統，該系統分布在近30公里長(cháng)的東海大橋上，范圍較廣，同時(shí)大橋處于外海，并擔負著(zhù)連接市區與深水港樞紐的重任，因此需要對橋梁健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，而監測數據的正確性對于橋梁的評估和研究顯得尤為重要。

應用方案：使用GPS PPS時(shí)鐘同步技術(shù)，對分布在橋體各個(gè)位置的采集機站進(jìn)行采樣時(shí)鐘同步，每個(gè)采集機站都采用NI公司的PXI工控機箱以及相關(guān)的板卡與GPS時(shí)鐘同步信號接收器相連。在此硬件基礎上，通過(guò)NI公司LABVIEW平臺以及相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)包來(lái)設計開(kāi)發(fā)整個(gè)同步采集系統。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW 7.1
NI-SYNC 時(shí)鐘同步開(kāi)發(fā)包
PXI-1045 PXI機箱
PXI-8187 PXI主控制器
PXI-6652 同步時(shí)鐘模塊
PXI-6602 計數器/定時(shí)器
PXI-4472B 動(dòng)態(tài)信號采集卡


介紹 

采集系統自身的環(huán)境限制導致設備的分散性，保證各個(gè)采集設備之間數據的同步性，使之分析出來(lái)的結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，是擺在設計者面前的難題。相對于其他2種技術(shù)方案：基于短距離低成本的機箱同步技術(shù)和基于長(cháng)距離高成本的衛星同步技術(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，并且還能節約大量成本。

正文：

一．分布式實(shí)時(shí)采集系統概述

東海大橋由于身處外海海域，不僅需要經(jīng)受海水腐蝕、地震臺風(fēng)自然災害、還有各種通行工具對橋梁結構造成緩慢的損害。對橋梁進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，為了及時(shí)獲知橋梁的健康狀況，對各種突發(fā)時(shí)間做出響應，以及進(jìn)行必要的養護工作，延長(cháng)橋梁的使用壽命。監測數據還能進(jìn)行進(jìn)一步研究分析，對橋梁的基礎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構，構造范圍很廣，監測點(diǎn)分散在各處，很多監測項目又具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，例如地震、臺風(fēng)、交通事故等等，對于各部位監測數據需要非常準確的時(shí)間同步，一般的數據采集技術(shù)難以達到監測要求，如果不采用時(shí)鐘同步技術(shù)，極有可能造成各個(gè)監測點(diǎn)采集數據時(shí)間上的微小誤差，不僅造成監測結果的不準確，還嚴重影響了對橋梁健康的研究分析。而通過(guò)GPS時(shí)鐘同步技術(shù)完全可以避免這些問(wèn)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 橋梁健康監測系統的預警監測圖

如圖1所示，整個(gè)采集系統分散在橋梁的各個(gè)部位。橋梁按照區域劃 分為若干區段，在主要幾個(gè)區段中安置著(zhù)信號采集機站，各個(gè)采集機站之間相距幾公里甚至十幾公里，每組采集機站均和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，做相應的處理得到時(shí)鐘同步信號和絕對時(shí)間戳并發(fā)送給PXI采集設備，采集設備接收處理后的GPS同步信號，達到同步整個(gè)分布式采集系統。
這里說(shuō)的時(shí)鐘同步有2方面含義：

數據采樣頻率的同步，包括采樣時(shí)鐘信號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)間標簽的同步。

只有2方面都達到同步，才能稱(chēng)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；主模塊內部的時(shí)鐘信號通過(guò)同軸電纜同步從模塊內部的時(shí)鐘信號，PXI-4472B都用次信號作為采樣時(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(guò)GPS接收器接收GPS同步信號，做相應的處理并發(fā)送給采集設備做采集同步，和GPS PPS所不同的是IRIG-B時(shí)鐘同步信號中含有絕對時(shí)間，需要由PXI-6608來(lái)接收該信號，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
機箱同步技術(shù)由于電纜的局限性，距離過(guò)長(cháng)會(huì )導致信號衰減，很難做到公里級數的時(shí)鐘同步采集，所以在本系統中無(wú)法適用。而GPS PPS和GPS IRIG-B技術(shù)都采用衛星來(lái)作為同步時(shí)鐘信號傳輸的載體，可以做到無(wú)地域限制的同步采集，符合本系統的同步需求。

2)準確性
機箱同步技術(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確性可以保證，但是由于信號通過(guò)電纜作為載體發(fā)送，長(cháng)時(shí)間運行后，電纜的自身老化以及外部的突發(fā)事件是否會(huì )對信號的造成干擾，不得而知。而其它2種GPS技術(shù)，在時(shí)鐘信號的傳輸上都采用衛星無(wú)線(xiàn)發(fā)送，極少極少會(huì )受到信號干擾，唯一需要擔心的是信號接收天線(xiàn)的維護。

3)成本對比
機箱同步技術(shù)由于無(wú)需額外的GPS信號接收設備，所以成本最低。GPSIRIG-B技術(shù)不僅需要額外采用相對昂貴的PXI-6608，還須包括GPS IRIG-B信號接收器的成本。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信號接收器的成本遠遠低于GPS IRIG-B。

三．GPS PPS時(shí)鐘同步技術(shù)的系統組成 

該系統主要由GPS接收器和NI PXI采集設備2大部分組成。結構如圖2：

1.GPS接收器系統組成 
GPS同步時(shí)鐘接收器的輸入端連接著(zhù)一個(gè)GPS信號接受天線(xiàn)，接受來(lái)自GPS衛星發(fā)送的時(shí)鐘信號，輸出端分為3部分：

10M PPS（Pulse Per Second）信號：用于同步采集系統，作為采集系統的采樣基頻。此信號不包含任何的時(shí)間信息，僅僅為簡(jiǎn)單的脈沖信號，脈沖間隔為10納秒。
 
PPS（Pulse Per Second）信號：用于采集系統觸發(fā)采集使用，此信號同上，僅僅為簡(jiǎn)單的脈沖信號，脈沖間隔為1秒。絕對時(shí)間（GMT）信號：用于替代采集系統自身的時(shí)間標簽，此信號采用NEMA標準。

對于PPS（Pulse Per Second）信號，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(lèi)）的脈沖信號，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雜的同步時(shí)鐘信號。

圖2 GPS PPS時(shí)鐘同步系統組成圖 

絕對時(shí)間信號，該信號采用NEMA標準，表現形式為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，第三部分為一天的具體時(shí)間，精確到秒級。

2.PXI采集設備系統組成 

PXI采集設備采用NI PXI-1045 18槽機箱，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，并且將此時(shí)鐘信號進(jìn)行分頻，把分頻后的時(shí)鐘信號提供到PXI機箱背板，提供給高速同步采集卡PXI 4472B作為采樣時(shí)鐘頻率。

PXI-6602計數器采用接線(xiàn)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，第一個(gè)輸入端收到信號后，按1 PPS頻率進(jìn)行計數，并設定采集時(shí)間，當達到采集的起始時(shí)間，PXI-6602提供觸發(fā)信號，觸發(fā)PXI-4472B開(kāi)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控制器的標準232串口與GPS接收器的絕對時(shí)間輸出端相連，接收GPS接收器提供的絕對時(shí)間信息，并計算每個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔＋觸發(fā)開(kāi)始的絕對時(shí)間來(lái)獲取該采樣點(diǎn)的絕對時(shí)間標簽。

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

四．系統的設計與實(shí)現 

該系統的軟件開(kāi)發(fā)是以L(fǎng)abVIEW 7.1為平臺，并配以NI-SYNC開(kāi)發(fā)工具包。采用PXI-1045 18槽機箱，PXI-8187主控制器，PXI-6652時(shí)鐘同步模塊，PXI-6602計數器模塊，PXI-4472B動(dòng)態(tài)信號采集卡等作為硬件基礎。

圖3 GPS PPS信號接收器硬件組成圖

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

1.獲取GPS時(shí)鐘同步信號首先通過(guò)NI-SYNC開(kāi)發(fā)工具包提供的編程模塊對PXI-6652進(jìn)行相應配置。開(kāi)啟6652的PLL鎖相環(huán)以及PLL頻率，設置10M PPS信號的輸入端獲取同步時(shí)鐘信號，對時(shí)鐘信號分頻，將分頻后時(shí)鐘信號發(fā)布到機箱背板的PXI_STAR信號線(xiàn)上進(jìn)行時(shí)鐘頻率脈沖同步，并將PXI_Trig2觸發(fā)線(xiàn)（源）連接到PXI_Trig5觸發(fā)線(xiàn)上，以同步頻率時(shí)鐘為觸發(fā)頻率進(jìn)行相位同步的設置。

圖4 PXI 工控機箱硬件組成圖

2.配置6602計數器模塊通過(guò)LabVIEW DAQmx模塊對PXI 6602進(jìn)行配置，首先設置6602的第2個(gè)1 PPS輸入端將信號發(fā)送給PXI_Trig2給4472B的相位同步做準備，然后設置6602的第1個(gè)1 PPS輸入斷將信號發(fā)送給PXI_Trig0作為4472B觸發(fā)采集信號，最后根據定時(shí)觸發(fā)采樣的時(shí)間戳，設置6602倒計時(shí)器的初始數值，倒計時(shí)開(kāi)啟觸發(fā)采樣。

3.觸發(fā)4472B動(dòng)態(tài)信號采集卡通過(guò)LabVIEW DAQmx模塊，將PXI_STAR信號線(xiàn)作為4472B的采樣時(shí)鐘頻率源的時(shí)鐘頻率，將PXI_Ttrig5信號線(xiàn)作為相位同步源；并設置PXI_TRIG0信號通過(guò)6602的計時(shí)觸發(fā)信號開(kāi)啟4472B的采集工作。

圖5 GPS時(shí)鐘同步采集系統測試界面

如圖5所示，完成所有設置，并開(kāi)啟采集任務(wù)后，按照預定的采集時(shí)間，采集設備自動(dòng)同步開(kāi)始采集。經(jīng)檢驗，采樣數據無(wú)論從采樣時(shí)鐘同步還是相位同步都達到了預期的要求。

五．總結與展望

本系統采用了目前技術(shù)領(lǐng)先的GPS PPS時(shí)鐘同步技術(shù)，以及NI模塊化數據采集設備。

通過(guò)對現有的采集同步技術(shù)進(jìn)行一系列對比，從適用性、準確性、成本等多方面考慮，GPS PPS時(shí)鐘同步技術(shù)具有相當的優(yōu)勢，并倚靠LabVIEW強大的開(kāi)發(fā)平臺進(jìn)行設計，成功的完成了整個(gè)采集系統設計，達到了最初的設計功能指標，節約了大量的人力物力成本。

GPS同步技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展以及大量應用，現在已經(jīng)有了比較成熟的開(kāi)發(fā)方案，與現有的NI采集系統相結合開(kāi)發(fā)，對于大型分布式采集系統，有著(zhù)得天獨厚的優(yōu)勢，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(kāi)發(fā)成本。該系統目前已經(jīng)全部開(kāi)發(fā)完成并投入了正式的運行，對東海大橋的健康安全起著(zhù)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；除了橋梁健康監測以外，其他一些大型結構項目的健康監測也完全適用于該系統，應用前景非常廣闊。