基于GPS技術實現(xiàn)分布式數據同步采集系統(tǒng)

挑戰(zhàn)：

構建大型分布式數據同步采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)分布在近30公里長的東海大橋上，范圍較廣，同時大橋處于外海，并擔負著連接市區(qū)與深水港樞紐的重任，因此需要對橋梁健康狀況進行實時監(jiān)控，而監(jiān)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時鐘同步技術，對分布在橋體各個位置的采集機站進行采樣時鐘同步，每個采集機站都采用NI公司的PXI工控機箱以及相關的板卡與GPS時鐘同步信號接收器相連。在此硬件基礎上，通過NI公司LABVIEW平臺以及相關軟件開發(fā)包來設計開發(fā)整個同步采集系統(tǒng)。

使用的產品：

LabVIEW 7.1
NI-SYNC 時鐘同步開發(fā)包
PXI-1045 PXI機箱
PXI-8187 PXI主控制器
PXI-6652 同步時鐘模塊
PXI-6602 計數器/定時器
PXI-4472B 動態(tài)信號采集卡


介紹 

采集系統(tǒng)自身的環(huán)境限制導致設備的分散性，保證各個采集設備之間數據的同步性，使之分析出來的結果更具有研究和使用價值，并在一個可控的成本下實現(xiàn)，是擺在設計者面前的難題。相對于其他2種技術方案：基于短距離低成本的機箱同步技術和基于長距離高成本的衛(wèi)星同步技術。
GPS PPS是一種集2者優(yōu)點于一身的時鐘同步技術。不僅能獲得和高成本技術相同的效果，并且還能節(jié)約大量成本。

正文：

一．分布式實時采集系統(tǒng)概述

東海大橋由于身處外海海域，不僅需要經受海水腐蝕、地震臺風自然災害、還有各種通行工具對橋梁結構造成緩慢的損害。對橋梁進行實時監(jiān)測，為了及時獲知橋梁的健康狀況，對各種突發(fā)時間做出響應，以及進行必要的養(yǎng)護工作，延長橋梁的使用壽命。監(jiān)測數據還能進行進一步研究分析，對橋梁的基礎研究具有非常大的幫助。

為什么要使用時鐘同步技術？由于橋梁屬于較為特殊的結構，構造范圍很廣，監(jiān)測點分散在各處，很多監(jiān)測項目又具有實時性的特點，例如地震、臺風、交通事故等等，對于各部位監(jiān)測數據需要非常準確的時間同步，一般的數據采集技術難以達到監(jiān)測要求，如果不采用時鐘同步技術，極有可能造成各個監(jiān)測點采集數據時間上的微小誤差，不僅造成監(jiān)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GPS時鐘同步技術完全可以避免這些問題。

二．GPS PPS技術和其他時鐘同步技術介紹與比較

圖1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的預警監(jiān)測圖

如圖1所示，整個采集系統(tǒng)分散在橋梁的各個部位。橋梁按照區(qū)域劃 分為若干區(qū)段，在主要幾個區(qū)段中安置著信號采集機站，各個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同步時鐘接受器相連，GPS PPS接收器接受GPS時鐘同步信號，做相應的處理得到時鐘同步信號和絕對時間戳并發(fā)送給PXI采集設備，采集設備接收處理后的GPS同步信號，達到同步整個分布式采集系統(tǒng)。
這里說的時鐘同步有2方面含義：

數據采樣頻率的同步，包括采樣時鐘信號的脈沖同步以及相位同步。
 
時間軸上的同步，即采樣點時間標簽的同步。

只有2方面都達到同步，才能稱為真正的同步采集。

目前除了GPS PPS時鐘同步技術方案外，主要還有其他2種時鐘同步技術方案：

1.機箱直連時鐘同步技術：
主要采用了PXI-6653時鐘同步模塊的時鐘頻率共享技術，每個采集設備中都裝有PXI 6653時鐘同步模塊，然后用同軸電纜把各個采集設備的6653模塊相連，以其中一個模塊作為主模塊，其余的作為從模塊；主模塊內部的時鐘信號通過同軸電纜同步從模塊內部的時鐘信號，PXI-4472B都用次信號作為采樣時鐘。時間戳同步可以采用網絡時間服務器。

2.GPS IRIG-B時鐘同步技術：
該技術與GPS PPS技術極為相似，都是通過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時鐘同步信號中含有絕對時間，需要由PXI-6608來接收該信號，并將其解析為可用的時間戳。
 
3.三種時鐘同步技術的比較：

1)適用性
機箱同步技術由于電纜的局限性，距離過長會導致信號衰減，很難做到公里級數的時鐘同步采集，所以在本系統(tǒng)中無法適用。而GPS PPS和GPS IRIG-B技術都采用衛(wèi)星來作為同步時鐘信號傳輸的載體，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)準確性
機箱同步技術采用主從時鐘模塊同步的方式，以一個時鐘模塊的內部時鐘作為其余時鐘模塊的參考時鐘，雖然理論上同步的準確性可以保證，但是由于信號通過電纜作為載體發(fā)送，長時間運行后，電纜的自身老化以及外部的突發(fā)事件是否會對信號的造成干擾，不得而知。而其它2種GPS技術，在時鐘信號的傳輸上都采用衛(wèi)星無線發(fā)送，極少極少會受到信號干擾，唯一需要擔心的是信號接收天線的維護。

3)成本對比
機箱同步技術由于無需額外的GPS信號接收設備，所以成本最低。GPSIRIG-B技術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時鐘同步技術的系統(tǒng)組成 

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

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

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

圖2 GPS PPS時鐘同步系統(tǒng)組成圖 

絕對時間信號，該信號采用NEMA標準，表現(xiàn)形式為GMT時間，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間，精確到秒級。

2.PXI采集設備系統(tǒng)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時鐘信號，并且將此時鐘信號進行分頻，把分頻后的時鐘信號提供到PXI機箱背板，提供給高速同步采集卡PXI 4472B作為采樣時鐘頻率。

PXI-6602計數器采用接線段子板與GPS接收器的1 PPS輸出端相連，需要同時接入2個輸入端口，都接收1 PPS信號，第一個輸入端收到信號后，按1 PPS頻率進行計數，并設定采集時間，當達到采集的起始時間，PXI-6602提供觸發(fā)信號，觸發(fā)PXI-4472B開始采集；第二個輸入端的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接收器的絕對時間輸出端相連，接收GPS接收器提供的絕對時間信息，并計算每個采樣點的時間間隔＋觸發(fā)開始的絕對時間來獲取該采樣點的絕對時間標簽。

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

四．系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 

該系統(tǒng)的軟件開發(fā)是以LabVIEW 7.1為平臺，并配以NI-SYNC開發(fā)工具包。采用PXI-1045 18槽機箱，PXI-8187主控制器，PXI-6652時鐘同步模塊，PXI-6602計數器模塊，PXI-4472B動態(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

開發(fā)人員則通過NI-SYNC時鐘同步開發(fā)工具包以及LabVIEW DAQmx采集模塊對相關硬件進行開發(fā)。

1.獲取GPS時鐘同步信號首先通過NI-SYNC開發(fā)工具包提供的編程模塊對PXI-6652進行相應配置。開啟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鐘信號，對時鐘信號分頻，將分頻后時鐘信號發(fā)布到機箱背板的PXI_STAR信號線上進行時鐘頻率脈沖同步，并將PXI_Trig2觸發(fā)線（源）連接到PXI_Trig5觸發(fā)線上，以同步頻率時鐘為觸發(fā)頻率進行相位同步的設置。

圖4 PXI 工控機箱硬件組成圖

2.配置6602計數器模塊通過LabVIEW DAQmx模塊對PXI 6602進行配置，首先設置6602的第2個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，最后根據定時觸發(fā)采樣的時間戳，設置6602倒計時器的初始數值，倒計時開啟觸發(fā)采樣。

3.觸發(fā)4472B動態(tài)信號采集卡通過LabVIEW DAQmx模塊，將PXI_STAR信號線作為4472B的采樣時鐘頻率源的時鐘頻率，將PXI_Ttrig5信號線作為相位同步源；并設置PXI_TRIG0信號通過6602的計時觸發(fā)信號開啟4472B的采集工作。

圖5 GPS時鐘同步采集系統(tǒng)測試界面

如圖5所示，完成所有設置，并開啟采集任務后，按照預定的采集時間，采集設備自動同步開始采集。經檢驗，采樣數據無論從采樣時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(tǒng)采用了目前技術領先的GPS PPS時鐘同步技術，以及NI模塊化數據采集設備。

通過對現(xiàn)有的采集同步技術進行一系列對比，從適用性、準確性、成本等多方面考慮，GPS PPS時鐘同步技術具有相當的優(yōu)勢，并倚靠LabVIEW強大的開發(fā)平臺進行設計，成功的完成了整個采集系統(tǒng)設計，達到了最初的設計功能指標，節(jié)約了大量的人力物力成本。

GPS同步技術經過多年的發(fā)展以及大量應用，現(xiàn)在已經有了比較成熟的開發(fā)方案，與現(xiàn)有的NI采集系統(tǒng)相結合開發(fā)，對于大型分布式采集系統(tǒng)，有著得天獨厚的優(yōu)勢，不僅打破了原有時鐘同步技術的地域局限，并且在完成相同功能的情況下，降低了GPS技術的開發(fā)成本。該系統(tǒng)目前已經全部開發(fā)完成并投入了正式的運行，對東海大橋的健康安全起著至關重要的作用，得到了業(yè)主以及相關橋梁研究人員的肯定；除了橋梁健康監(jiān)測以外，其他一些大型結構項目的健康監(jiān)測也完全適用于該系統(tǒng)，應用前景非常廣闊。