王金玉 ，胡賓鑫 ，宋廣東 ，姜龍，劉統(tǒng)玉

(1. 山東省光纖傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014；2. 山東微感光電子有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

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基于IEEE 1588時(shí)間同步協(xié)議的cRIO數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王金玉1，胡賓鑫1，宋廣東1，姜龍2，劉統(tǒng)玉2

(1. 山東省光纖傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014；2. 山東微感光電子有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于cRIO的遠(yuǎn)程分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用cRIO特有的1588插件設(shè)計(jì)了時(shí)間同步程序，以及數(shù)據(jù)采集、觸發(fā)保存、本地保存和數(shù)據(jù)TCP/IP上傳程序。數(shù)據(jù)采集測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)短期同步精度可以達(dá)到亞毫秒級(jí)，長(zhǎng)期測(cè)試同步精度為毫秒級(jí)。該同步系統(tǒng)可應(yīng)用于煤礦井下光纖微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)控制器；時(shí)間同步；IEEE 1588協(xié)議；精度

光纖微震傳感器由于具有本質(zhì)安全、不受電磁干擾和耐腐蝕等特性，廣泛應(yīng)用于煤礦井下等惡劣環(huán)境中。由于微震數(shù)據(jù)采集具有分散性、實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，因此煤礦井下光纖微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廣泛采用分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1-2]。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各個(gè)采集設(shè)備監(jiān)測(cè)的數(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)重影響對(duì)事件的研究分析。隨著分布式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步的要求越來越高。

數(shù)據(jù)采集時(shí)間同步是指數(shù)據(jù)采樣頻率的同步，包括采樣時(shí)鐘信號(hào)的脈沖同步和相位同步，以及時(shí)間軸上的同步，即采樣點(diǎn)時(shí)間標(biāo)簽的同步。只有兩方面都達(dá)到同步，才能稱為真正的同步采集。傳統(tǒng)的單系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的同步是靠采集板卡的同步來實(shí)現(xiàn)的，隨著采集點(diǎn)數(shù)的增多，板卡的數(shù)量也會(huì)增大，但是現(xiàn)有的總線協(xié)議如PCI、CPCI、VME以及PXI提供的插槽有限，因此，我們需要采用多臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而多臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的時(shí)間和時(shí)鐘同步又成為一個(gè)非常復(fù)雜的問題。目前，多臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同步有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一是基于信號(hào)的多系統(tǒng)同步，這種同步方式需要連接信號(hào)電纜，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離同步；二是基于時(shí)間的多系統(tǒng)同步，這種同步方式通過IEEE 1588、GPS和IRIG-B等協(xié)議共享時(shí)間基準(zhǔn)，然后基于基準(zhǔn)生成事件，觸發(fā)時(shí)鐘信號(hào)，這種基于時(shí)間的同步方式適合遠(yuǎn)距離同步或分布式應(yīng)用。對(duì)于遠(yuǎn)距離同步，基于GPS協(xié)議的多系統(tǒng)同步精度最高，但是GPS信號(hào)并不一定實(shí)時(shí)連續(xù)。

IEEE 1588是網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[3- 4]， 該協(xié)議使分布式通信網(wǎng)絡(luò)能夠具有嚴(yán)格的定時(shí)同步，基本構(gòu)思是通過硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(客戶機(jī))的內(nèi)時(shí)鐘與主控機(jī)的主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步，同步精度達(dá)微秒級(jí)[5-10]。

本文介紹了基于cRIO的遠(yuǎn)程分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn), 該系統(tǒng)利用cRIO特有的1588插件設(shè)計(jì)了時(shí)間同步程序，并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集程序、觸發(fā)保存程序、本地保存及數(shù)據(jù)TCP/IP上傳程序，實(shí)現(xiàn)了分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步采集。

1系統(tǒng)的硬件組成

圖1　分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of the distributed system

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端的硬件配置由GPS、監(jiān)控終端以及cRIO數(shù)據(jù)采集終端組成。cRIO數(shù)據(jù)采集終端包括嵌入式控制器cRIO-9025、機(jī)箱cRIO-9113和采集卡NI9234。該配置系統(tǒng)主要應(yīng)用于地震、礦震等動(dòng)態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)組成如圖1所示。其中實(shí)時(shí)控制器cRIO-9025配有512 MB DRAM、4 GB內(nèi)存和800 MHz CPU時(shí)鐘頻率，運(yùn)行VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；4槽可重配置機(jī)箱cRIO-9113，支持所有CompactRIO I/O模塊，使用Xilinx Virtex-5 FPGA，機(jī)箱內(nèi)置高級(jí)觸發(fā)及同步功能；數(shù)據(jù)采集模塊NI9234，具有24 位四路同步采樣，交流耦合(0.5 Hz)、結(jié)合FPGA 實(shí)現(xiàn)自定義采集功能。

2系統(tǒng)的時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)

本文利用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP)和1588同步協(xié)議同步多個(gè)FPGA的系統(tǒng)時(shí)間[5-6]。IEEE 1588定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘特性，通過運(yùn)行一個(gè)分布式的最佳主時(shí)鐘算法(Best Master Clock，BMC)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)時(shí)鐘可以識(shí)別該網(wǎng)絡(luò)中最高質(zhì)量的時(shí)鐘，該時(shí)鐘具備最佳的時(shí)鐘特性。最高質(zhì)量的時(shí)鐘稱為主時(shí)鐘，負(fù)責(zé)同步其他從時(shí)鐘。

同步過程分為兩個(gè)階段：偏移測(cè)量階段和延遲測(cè)量階段。

(1)偏移測(cè)量階段:修正主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間的時(shí)鐘偏差。主時(shí)鐘周期性(一般為2 s)地給從時(shí)鐘發(fā)送“同步”(Sync)數(shù)據(jù)包，這個(gè)同步數(shù)據(jù)包離開主時(shí)鐘時(shí)，包含一個(gè)時(shí)間戳。主時(shí)鐘隨后也會(huì)(可選)發(fā)送“跟隨”(Follow_Up)數(shù)據(jù)包，其中包含了“同步”數(shù)據(jù)包的時(shí)間戳。使用一個(gè)單獨(dú)的“跟隨”包允許主時(shí)鐘準(zhǔn)確地知道“同步”數(shù)據(jù)包的時(shí)間戳t1，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間無法事先準(zhǔn)確地知道。從時(shí)鐘接收到主時(shí)鐘的“同步”數(shù)據(jù)包和此數(shù)據(jù)包抵達(dá)時(shí)間的時(shí)間戳t2，根據(jù)t1和t2可計(jì)算出主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差(Offset),由于此時(shí)對(duì)同步報(bào)文的傳輸延時(shí)(Delay)未知，先假設(shè)為零[5]。

(2)延遲測(cè)量階段:修正網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)。“同步”數(shù)據(jù)包的發(fā)出時(shí)間和抵達(dá)時(shí)間之差包含兩方面因素：從時(shí)鐘與主時(shí)鐘間的時(shí)鐘偏差以及網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)。通過根據(jù)該方法測(cè)得的數(shù)據(jù)可以調(diào)節(jié)兩者間的偏差，使該偏差僅僅來自于網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)。IEEE 1588設(shè)定網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)是對(duì)稱的，也就是說，從主時(shí)鐘向從時(shí)鐘間發(fā)送數(shù)據(jù)所帶來的延時(shí)和反方向的延時(shí)相等?；诖隧?xiàng)假設(shè)，從時(shí)鐘可以發(fā)現(xiàn)并且補(bǔ)償傳輸延時(shí)。它向主時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)“延時(shí)請(qǐng)求”(Delay_Req)的數(shù)據(jù)包，其中包含了離開從時(shí)鐘的時(shí)間戳t3?！把訒r(shí)請(qǐng)求”工具包被主時(shí)鐘收到后打上時(shí)間戳t4，然后抵達(dá)時(shí)間會(huì)包含在“延時(shí)響應(yīng)”(Delay_Resp)數(shù)據(jù)包中被發(fā)送到從時(shí)鐘。這兩個(gè)時(shí)間戳之差就是網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)。延遲測(cè)量是不規(guī)則進(jìn)行的，其測(cè)量間隔時(shí)間為4～60 s 之間的隨機(jī)值，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷不會(huì)太大[5]。

假設(shè)數(shù)據(jù)包由主時(shí)鐘到從時(shí)鐘所用的時(shí)間與數(shù)據(jù)包由從時(shí)鐘到主時(shí)鐘所用的時(shí)間相同，則：

t2=t1+O+D,

(1)

t4=t3-O+D,

(2)

其中：t1為主時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文的發(fā)送時(shí)刻；t2為從時(shí)鐘記下的Sync報(bào)文到達(dá)時(shí)刻；t3為從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)送延遲請(qǐng)求報(bào)文的時(shí)刻；t4為主時(shí)鐘記錄的延遲請(qǐng)求報(bào)文到達(dá)時(shí)刻。從式(1)和式(2)計(jì)算出主從時(shí)鐘之間的Delay 和Offset，并根據(jù)此調(diào)整從設(shè)備的本地時(shí)鐘，完成一次時(shí)間同步。

TDelay=((t2-t1)+(t4-t3))/2,

(3)

TOffset=((t2-t1)-(t4-t3))/2,

(4)

其中，TDelay為同步報(bào)文的傳輸延時(shí)；TOffset為主從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差。因此，通過發(fā)送與接收這些同步數(shù)據(jù)包，從時(shí)鐘可以精確測(cè)量其本地時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的偏差，進(jìn)而調(diào)整自己的時(shí)鐘來匹配主時(shí)鐘。

NI-TimeSync 中的IEEE 1588插件提供了精度高達(dá)1 ms的同步參考時(shí)鐘，可以在網(wǎng)絡(luò)上配置多個(gè)儀器，使用同一個(gè)IEEE 1588參考時(shí)鐘，讓多個(gè)平臺(tái)可以在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)上進(jìn)行同步。使用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，將SNTP sever的時(shí)間同步到指定RT上，該RT作為master通過1588時(shí)間同步協(xié)議將其時(shí)間同步到作為slave的RT上。RT與FPGA之間通過Timekeeper進(jìn)行時(shí)間同步。通過上述操作可實(shí)現(xiàn)多個(gè)FPGA時(shí)間同步,如圖2所示。通過NI測(cè)量與自動(dòng)化瀏覽器(MAX)工具配置設(shè)備使用軟件1588精確時(shí)間協(xié)議，RT配置1588同步協(xié)議。

圖2　系統(tǒng)時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)方式Fig.2　System time synchronization method

FPGA Timekeeper API為一系列的VI，可以實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)FPGA上進(jìn)行時(shí)鐘同步。同步程序包含4個(gè)步驟：第一步，將Timekeeper子VI放在循環(huán)外，對(duì)FPGA對(duì)象進(jìn)行時(shí)間同步；第二步，獲取FPGA Timekeeper當(dāng)前的時(shí)間和當(dāng)前狀態(tài)信息，查看參考時(shí)間的偏差是否鎖定；第三步，每獲取一個(gè)新的RT時(shí)間鎖定Timekeeper的時(shí)間；第四步，依據(jù)兩時(shí)間戳將FPGA Timekeeper與RT時(shí)間進(jìn)行周期性同步。FPGA上的同步程序，獲取RT的時(shí)間并同步到FPGA目標(biāo)上。RT上的同步程序，其功能是固定周期獲取當(dāng)前時(shí)間，并將時(shí)間數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA對(duì)象。

3系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于cRIO遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置的軟件主要由兩部分組成，分別是運(yùn)行于NI cRIO-9113上的采集程序和運(yùn)行于NI cRIO-9025上的控制程序。

圖3　運(yùn)行于NI cRIO-9113上的采集程序流程圖Fig.3　Flowchart of acquisition program on NI cRIO-9113

3.1采集程序

采集程序運(yùn)行于NI cRIO-9113上，主要功能是設(shè)置NI 9234采集模塊、獲取系統(tǒng)參數(shù)、控制NI 9234采集數(shù)據(jù)、觸發(fā)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到FIFO“Data”中以及同步程序。NI cRIO-9113上的采集程序的運(yùn)行過程為：首先程序設(shè)置NI 9234采集模塊的原始采樣頻率，本程序采用NI 9234的最高采樣頻率51.2 kHz；其次運(yùn)行采集開始觸發(fā)按鈕，這個(gè)按鈕在運(yùn)行于NI cRIO-9025上的控制程序中得到調(diào)用，用于控制信號(hào)采集開始；第三是獲取系統(tǒng)參數(shù)，包括觸發(fā)電壓、觸發(fā)通道數(shù)、預(yù)觸發(fā)深度、后觸發(fā)深度，在運(yùn)行于NI cRIO-9025上的控制程序中調(diào)用這些參數(shù)，可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行修改設(shè)置；第四是包含了信號(hào)觸發(fā)保存算法以及觸發(fā)后的數(shù)據(jù)保存。采集程序的流程圖如圖3所示。

一般微地震信號(hào)采集采用預(yù)觸發(fā)方法，在觸發(fā)條件滿足之前，先存儲(chǔ)一部分波形，從而使得用戶能觀察到觸發(fā)點(diǎn)之前的信號(hào)。

本程序的觸發(fā)過程為當(dāng)啟動(dòng)NI 9234采樣后，把從采集模塊采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)與觸發(fā)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)滿足設(shè)定條件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，此信號(hào)送到數(shù)據(jù)緩存器(Data Buffer)的控制端。當(dāng)Data Buffer未達(dá)到預(yù)觸發(fā)深度時(shí)，Data Buffer只寫入數(shù)據(jù)，不讀出數(shù)據(jù)，并且在這個(gè)過程中觸發(fā)信號(hào)是被抑制的；當(dāng)Data Buffer達(dá)到預(yù)觸發(fā)深度時(shí)，釋放觸發(fā)信號(hào)。此階段如果觸發(fā)信號(hào)未到來，采集模塊采樣來的數(shù)據(jù)寫入Data Buffer的同時(shí)，數(shù)據(jù)也從Data Buffer中讀出，并且Data Buffer中的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度始終保持為預(yù)觸發(fā)深度，Data Buffer中存放的數(shù)據(jù)都是新采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)；若觸發(fā)信號(hào)到來并被釋放后，就禁止Data Buffer讀出，Data Buffer的數(shù)據(jù)只寫不讀，當(dāng)Data Buffer寫滿后，程序就禁止寫入，然后通知下一幀程序從Data Buffer中讀取數(shù)據(jù)并存入FIFO數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等待控制程序提取微地震信號(hào)。

3.2控制程序

控制程序運(yùn)行于NI cRIO-9025上，如圖4虛線框中的部分，分為數(shù)據(jù)采集引擎、存儲(chǔ)引擎和TCP引擎，這三個(gè)模塊的主要功能為cRIO-9025的系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、獲取采樣數(shù)據(jù)、本地存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)、與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站時(shí)間同步和TCP數(shù)據(jù)通信。

系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置主要是用來設(shè)置觸發(fā)電壓、觸發(fā)通道數(shù)、預(yù)觸發(fā)深度和后觸發(fā)深度。數(shù)據(jù)采集引擎程序判斷FIFO數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，讀取FIFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并提供給本地存儲(chǔ)或進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。

4同步測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)的觸發(fā)采集設(shè)置在FPGA端，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RT端。由函數(shù)發(fā)生器輸出滿足觸發(fā)采集條件的正弦波信號(hào)到采集卡NI 9234，存儲(chǔ)觸發(fā)信號(hào)，由相位差計(jì)算軟件，獲得兩采集終端信號(hào)的時(shí)間差。程序運(yùn)行 7 d后，將存儲(chǔ)在兩個(gè)RT端的文件拷貝到上位機(jī)進(jìn)行時(shí)間差計(jì)算。1～3 d存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件同步時(shí)間誤差穩(wěn)定在290～340 μs之間，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。4～7 d存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件同步時(shí)間誤差達(dá)到2 ms，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。因此該系統(tǒng)短期同步精度能達(dá)到亞毫秒級(jí)，長(zhǎng)期測(cè)試同步精度為毫秒級(jí)。

圖5　系統(tǒng)前三天測(cè)得數(shù)據(jù)的時(shí)間差Fig.5　Synchronization time difference of the data in the first three days

圖6　系統(tǒng)后四天測(cè)得的數(shù)據(jù)的時(shí)間差Fig.6　Synchronization time difference of the data in the latter four days

5結(jié)論

光纖微震分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有分散的采集設(shè)備，時(shí)間同步設(shè)備是為了保證多系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及分析的準(zhǔn)確性。本文設(shè)計(jì)的基于IEEE 1588時(shí)間同步協(xié)議的cRIO數(shù)據(jù)采集時(shí)間同步裝置，同步精度在短期內(nèi)能達(dá)到亞毫秒級(jí)，但長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果為毫秒級(jí)，與理論上的亞毫秒級(jí)的同步精度有一定差距。因此該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)方式上還需要進(jìn)一步改進(jìn)。本系統(tǒng)與基于PTP授時(shí)模塊和PTP時(shí)鐘同步模塊的同步系統(tǒng)相比，都可以實(shí)現(xiàn)亞毫秒級(jí)的多系統(tǒng)同步，但是由于采用cRIO嵌入式系統(tǒng)，更適于煤礦井下惡劣環(huán)境，滿足煤礦低功耗、防爆的要求。但是該系統(tǒng)較PTP授時(shí)模塊和PTP時(shí)鐘同步模塊的同步系統(tǒng)價(jià)格高，因此應(yīng)用成本相對(duì)較高。

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.03.012

收稿日期：2015-06-03

基金項(xiàng)目：山東省科學(xué)院院青年基金 (2013QN005 )；山東省科技發(fā)展計(jì)劃(2014GSF120017)；中小企業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金(對(duì)歐合作部分)(SQ2013ZOC600005)

作者簡(jiǎn)介：王金玉(1981-)，女，助理研究員，研究方向?yàn)楣饫w傳感。Email：wangjinyu105@163.com

中圖分類號(hào)：TP212.4+4;TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-4026(2016)03-0065-06

Design and implementation of IEEE 1588 time synchronization protocol based cRIO data acquisition device

WANG Jin-yu1*, HU Bin-xin1, SONG Guang-dong1,JIANG Long2,LIU Tong-yu2

(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technology, Laser Institute, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China; 2.Shandong Micro-Sensor Photonics Co. Ltd.,Jinan 250014, China)

Abstract∶We design and implement a cRIO based remote distributed data acquisition system. It applies cRIO specific 1588 plug-in to the design of time synchronization program, data acquisition, trigger preservation, local preservation and data TCP/IP upload. Data acquisition and test results show that its short-term synchronization precision can reach sub-millisecond level, and millisecond level for long-term test. It can be applied to optical fiber micro-seismic monitoring system in coal mines.

Key words∶cRIO; time synchronization; IEEE 1588; synchronous precision

【光纖與光子傳感技術(shù)】