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)重點實驗室，山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250014；2. 山東微感光電子有限公司，山東 濟南 250014)

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基于IEEE 1588時間同步協(xié)議的cRIO數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計與實現(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)重點實驗室，山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250014；2. 山東微感光電子有限公司，山東 濟南 250014)

摘要：設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于cRIO的遠程分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用cRIO特有的1588插件設(shè)計了時間同步程序，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)采集測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)短期同步精度可以達到亞毫秒級，長期測試同步精度為毫秒級。該同步系統(tǒng)可應(yīng)用于煤礦井下光纖微震監(jiān)測系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：實時控制器；時間同步；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、實時性的特點，因此煤礦井下光纖微震監(jiān)測系統(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)各個采集設(shè)備監(jiān)測的數(shù)據(jù)需要非常準確的時間同步，一般的數(shù)據(jù)采集技術(shù)難以達到監(jiān)測要求。如果不采用時鐘同步技術(shù)，極有可能造成各個監(jiān)測點采集數(shù)據(jù)時間上的微小誤差，不僅造成監(jiān)測結(jié)果的不準確，還嚴重影響對事件的研究分析。隨著分布式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)對時鐘同步的要求越來越高。

數(shù)據(jù)采集時間同步是指數(shù)據(jù)采樣頻率的同步，包括采樣時鐘信號的脈沖同步和相位同步，以及時間軸上的同步，即采樣點時間標簽的同步。只有兩方面都達到同步，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現(xiàn)的，隨著采集點數(shù)的增多，板卡的數(shù)量也會增大，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，我們需要采用多臺計算機系統(tǒng)，而多臺計算機系統(tǒng)的時間和時鐘同步又成為一個非常復雜的問題。目前，多臺計算機系統(tǒng)同步有兩種實現(xiàn)方式，一是基于信號的多系統(tǒng)同步，這種同步方式需要連接信號電纜，不能實現(xiàn)遠距離同步；二是基于時間的多系統(tǒng)同步，這種同步方式通過IEEE 1588、GPS和IRIG-B等協(xié)議共享時間基準，然后基于基準生成事件，觸發(fā)時鐘信號，這種基于時間的同步方式適合遠距離同步或分布式應(yīng)用。對于遠距離同步，基于GPS協(xié)議的多系統(tǒng)同步精度最高，但是GPS信號并不一定實時連續(xù)。

IEEE 1588是網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準[3- 4]， 該協(xié)議使分布式通信網(wǎng)絡(luò)能夠具有嚴格的定時同步，基本構(gòu)思是通過硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(客戶機)的內(nèi)時鐘與主控機的主時鐘實現(xiàn)同步，同步精度達微秒級[5-10]。

本文介紹了基于cRIO的遠程分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn), 該系統(tǒng)利用cRIO特有的1588插件設(shè)計了時間同步程序，并設(shè)計了數(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、礦震等動態(tài)信號監(jiān)測，系統(tǒng)組成如圖1所示。其中實時控制器cRIO-9025配有512 MB DRAM、4 GB內(nèi)存和800 MHz CPU時鐘頻率，運行VxWorks實時操作系統(tǒng)；4槽可重配置機箱cRIO-9113，支持所有CompactRIO I/O模塊，使用Xilinx Virtex-5 FPGA，機箱內(nèi)置高級觸發(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 實現(xiàn)自定義采集功能。

2系統(tǒng)的時間同步實現(xiàn)

本文利用簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(SNTP)和1588同步協(xié)議同步多個FPGA的系統(tǒng)時間[5-6]。IEEE 1588定義了一套標準的時鐘特性，通過運行一個分布式的最佳主時鐘算法(Best Master Clock，BMC)，網(wǎng)絡(luò)中的每個時鐘可以識別該網(wǎng)絡(luò)中最高質(zhì)量的時鐘，該時鐘具備最佳的時鐘特性。最高質(zhì)量的時鐘稱為主時鐘，負責同步其他從時鐘。

同步過程分為兩個階段：偏移測量階段和延遲測量階段。

(1)偏移測量階段:修正主時鐘和從時鐘之間的時鐘偏差。主時鐘周期性(一般為2 s)地給從時鐘發(fā)送“同步”(Sync)數(shù)據(jù)包，這個同步數(shù)據(jù)包離開主時鐘時，包含一個時間戳。主時鐘隨后也會(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)包的時間戳。使用一個單獨的“跟隨”包允許主時鐘準確地知道“同步”數(shù)據(jù)包的時間戳t1，因為在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間無法事先準確地知道。從時鐘接收到主時鐘的“同步”數(shù)據(jù)包和此數(shù)據(jù)包抵達時間的時間戳t2，根據(jù)t1和t2可計算出主時鐘和從時鐘之間的時間偏差(Offset),由于此時對同步報文的傳輸延時(Delay)未知，先假設(shè)為零[5]。

(2)延遲測量階段:修正網(wǎng)絡(luò)傳輸延時?！巴健睌?shù)據(jù)包的發(fā)出時間和抵達時間之差包含兩方面因素：從時鐘與主時鐘間的時鐘偏差以及網(wǎng)絡(luò)傳輸延時。通過根據(jù)該方法測得的數(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。IEEE 1588設(shè)定網(wǎng)絡(luò)傳輸延時是對稱的，也就是說，從主時鐘向從時鐘間發(fā)送數(shù)據(jù)所帶來的延時和反方向的延時相等?；诖隧椉僭O(shè)，從時鐘可以發(fā)現(xiàn)并且補償傳輸延時。它向主時鐘發(fā)送一個“延時請求”(Delay_Req)的數(shù)據(jù)包，其中包含了離開從時鐘的時間戳t3?！把訒r請求”工具包被主時鐘收到后打上時間戳t4，然后抵達時間會包含在“延時響應(yīng)”(Delay_Resp)數(shù)據(jù)包中被發(fā)送到從時鐘。這兩個時間戳之差就是網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時。延遲測量是不規(guī)則進行的，其測量間隔時間為4～60 s 之間的隨機值，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)的負荷不會太大[5]。

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

t2=t1+O+D,

(1)

t4=t3-O+D,

(2)

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

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

(3)

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

(4)

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

NI-TimeSync 中的IEEE 1588插件提供了精度高達1 ms的同步參考時鐘，可以在網(wǎng)絡(luò)上配置多個儀器，使用同一個IEEE 1588參考時鐘，讓多個平臺可以在標準的以太網(wǎng)上進行同步。使用簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，將SNTP sever的時間同步到指定RT上，該RT作為master通過1588時間同步協(xié)議將其時間同步到作為slave的RT上。RT與FPGA之間通過Timekeeper進行時間同步。通過上述操作可實現(xiàn)多個FPGA時間同步,如圖2所示。通過NI測量與自動化瀏覽器(MAX)工具配置設(shè)備使用軟件1588精確時間協(xié)議，RT配置1588同步協(xié)議。

圖2　系統(tǒng)時間同步實現(xiàn)方式Fig.2　System time synchronization method

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

3系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

圖3　運行于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)并存儲到FIFO“Data”中以及同步程序。NI cRIO-9113上的采集程序的運行過程為：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；其次運行采集開始觸發(fā)按鈕，這個按鈕在運行于NI cRIO-9025上的控制程序中得到調(diào)用，用于控制信號采集開始；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)、預觸發(fā)深度、后觸發(fā)深度，在運行于NI cRIO-9025上的控制程序中調(diào)用這些參數(shù)，可以對這些參數(shù)進行修改設(shè)置；第四是包含了信號觸發(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。

一般微地震信號采集采用預觸發(fā)方法，在觸發(fā)條件滿足之前，先存儲一部分波形，從而使得用戶能觀察到觸發(fā)點之前的信號。

本程序的觸發(fā)過程為當啟動NI 9234采樣后，把從采集模塊采集進來的數(shù)據(jù)與觸發(fā)電壓進行比較，當滿足設(shè)定條件時，會產(chǎn)生觸發(fā)信號，此信號送到數(shù)據(jù)緩存器(Data Buffer)的控制端。當Data Buffer未達到預觸發(fā)深度時，Data Buffer只寫入數(shù)據(jù)，不讀出數(shù)據(jù)，并且在這個過程中觸發(fā)信號是被抑制的；當Data Buffer達到預觸發(fā)深度時，釋放觸發(fā)信號。此階段如果觸發(fā)信號未到來，采集模塊采樣來的數(shù)據(jù)寫入Data Buffer的同時，數(shù)據(jù)也從Data Buffer中讀出，并且Data Buffer中的數(shù)據(jù)長度始終保持為預觸發(fā)深度，Data Buffer中存放的數(shù)據(jù)都是新采集進來的數(shù)據(jù)；若觸發(fā)信號到來并被釋放后，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)存儲器，等待控制程序提取微地震信號。

3.2控制程序

控制程序運行于NI cRIO-9025上，如圖4虛線框中的部分，分為數(shù)據(jù)采集引擎、存儲引擎和TCP引擎，這三個模塊的主要功能為cRIO-9025的系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、獲取采樣數(shù)據(jù)、本地存儲采樣數(shù)據(jù)、與遠程監(jiān)測站時間同步和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)存儲器中數(shù)據(jù)的長度，讀取FIFO中的數(shù)據(jù)進行顯示并提供給本地存儲或進行遠程傳輸。

4同步測試實驗結(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到采集卡NI 9234，存儲觸發(fā)信號，由相位差計算軟件，獲得兩采集終端信號的時間差。程序運行 7 d后，將存儲在兩個RT端的文件拷貝到上位機進行時間差計算。1～3 d存儲的數(shù)據(jù)文件同步時間誤差穩(wěn)定在290～340 μs之間，計算結(jié)果如圖5所示。4～7 d存儲的數(shù)據(jù)文件同步時間誤差達到2 ms，計算結(jié)果如圖6所示。因此該系統(tǒng)短期同步精度能達到亞毫秒級，長期測試同步精度為毫秒級。

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

圖6　系統(tǒng)后四天測得的數(shù)據(jù)的時間差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)采集及分析的準確性。本文設(shè)計的基于IEEE 1588時間同步協(xié)議的cRIO數(shù)據(jù)采集時間同步裝置，同步精度在短期內(nèi)能達到亞毫秒級，但長期實驗結(jié)果為毫秒級，與理論上的亞毫秒級的同步精度有一定差距。因此該系統(tǒng)在實現(xiàn)方式上還需要進一步改進。本系統(tǒng)與基于PTP授時模塊和PTP時鐘同步模塊的同步系統(tǒng)相比，都可以實現(xiàn)亞毫秒級的多系統(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授時模塊和PTP時鐘同步模塊的同步系統(tǒng)價格高，因此應(yīng)用成本相對較高。

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DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.03.012

收稿日期：2015-06-03

基金項目：山東省科學院院青年基金 (2013QN005 )；山東省科技發(fā)展計劃(2014GSF120017)；中小企業(yè)發(fā)展專項資金(對歐合作部分)(SQ2013ZOC600005)

作者簡介：王金玉(1981-)，女，助理研究員，研究方向為光纖傳感。Email：wangjinyu105@163.com

中圖分類號：TP212.4+4;TP39

文獻標識碼：A

文章編號：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)】