高峰+孔慶鋼

摘要：為了提高光纖安防系統(tǒng)的誤報率，需要同步采集多個監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)?；谕讲杉枨?，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于PXI總線數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用多節(jié)點分布式布局方式搭建了監(jiān)控網(wǎng)，并通過IEEE 1588協(xié)議實現(xiàn)各監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)的同步采集，以及將各監(jiān)控節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心。實驗證明，系統(tǒng)可實現(xiàn)納秒級同步，有效解決了多分布點同步采集數(shù)據(jù)的難點，為后續(xù)的算法優(yōu)化創(chuàng)造了有利條件。

關(guān)鍵詞： IEEE 1588協(xié)議； 分布式測量； PXI總線； 安防系統(tǒng)

中圖分類號： TP 393.11 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.007

文章編號： 1005-5630（2017）02-0039-04

引 言

光纖監(jiān)測系統(tǒng)由于其靈敏度高、抗電磁干擾能力強等特點，被廣泛應(yīng)用于安防領(lǐng)域[1-2]?？紤]到安防系統(tǒng)的誤報率、漏報率等指標，需要監(jiān)測系統(tǒng)具有分布式、實時性等特點[3]。隨著分布式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)對高精度時鐘同步的要求越來越高[4]。為滿足多節(jié)點同步采集數(shù)據(jù)要求[5-6]，本系統(tǒng)提出了基于IEEE 1588協(xié)議的分布式數(shù)據(jù)監(jiān)測方案，通過PXI總線搭建的監(jiān)測節(jié)點，有效實時地實現(xiàn)了多光纖傳感器的同步數(shù)據(jù)獲取。

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)主要由分布式節(jié)點監(jiān)測系統(tǒng)、GPRS系統(tǒng)、遠程終端系統(tǒng)組成[7]。用戶通過監(jiān)控中心的遠程上位機軟件發(fā)送采集指令給PXI下位機系統(tǒng)。接到指令后采集模塊開始采集數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)控中心，同時數(shù)據(jù)會保存在本地下位機平臺中，防止網(wǎng)絡(luò)故障時數(shù)據(jù)丟失。為滿足各節(jié)點同步獲取數(shù)據(jù)的要求，利用系統(tǒng)預(yù)留的光纖連接各監(jiān)測節(jié)點的1588同步模塊，通過內(nèi)部同步時鐘實現(xiàn)各節(jié)點數(shù)據(jù)同步采集。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

分布式節(jié)點監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、PXI采集平臺、1588同步模塊組成，系統(tǒng)的搭建中應(yīng)用了模塊化理念。通過PXI機箱和控制器搭建了系統(tǒng)的平臺框架，采用16通道16 bit精度數(shù)據(jù)采集卡捕捉溫度和濕度數(shù)據(jù)。同步模塊內(nèi)置IEEE 1588協(xié)議芯片，各同步模塊通過光纖連接到集線器，共用協(xié)議同步時鐘實現(xiàn)各節(jié)點同步數(shù)據(jù)采集。分布式節(jié)點監(jiān)測系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

2 數(shù)據(jù)同步采集原理

為滿足各監(jiān)測節(jié)點同步采集數(shù)據(jù)，需將各節(jié)點的系統(tǒng)時鐘同步，本系統(tǒng)采用了IEEE 1588協(xié)議來實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘的同步。通過各節(jié)點的同步模塊來校準系統(tǒng)時鐘，從而控制數(shù)據(jù)采集模塊工作在同一頻率上，實現(xiàn)分布式同步采集。

2.1 IEEE 1588協(xié)議工作原理

IEEE 1588協(xié)議的實現(xiàn)方法主要有軟件法、硬件法[8]。軟件法主要是通過軟件補償校準時鐘偏差和網(wǎng)絡(luò)延時[9]，硬件法主要是通過模塊中的FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的時間戳功能。本系統(tǒng)結(jié)合兩種方法的優(yōu)勢，采用軟硬結(jié)合的方式實現(xiàn)IEEE 1588協(xié)議。

2.2 同步采集的關(guān)鍵技術(shù)

同步采集的核心是同步模塊。該模塊采用了STM32系列芯片，內(nèi)嵌ARM CortexM3 32位微控制器，支持1588 V2.0協(xié)議。通過微控制器的計數(shù)器捕捉數(shù)據(jù)幀的收發(fā)時間，從而減少了協(xié)議棧時間波動的影響。同步模塊通過PXI總線芯片與監(jiān)控節(jié)點交互，從而校準系統(tǒng)時鐘。硬件原理圖如圖3所示。軟件部分的核心是對主從時鐘延時做補償，采用粗細調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式減少同步誤差[10]。

2.3 同步測試驗證

驗證同步模塊的同步效果，實際上就是驗證IEEE 1588協(xié)議主從時鐘同步精度。將兩個節(jié)點的PXI系統(tǒng)一個作為主時鐘，一個作為從時鐘，同步后，同時采集信號源輸出的脈沖信號，并觀測同步效果，測試原理圖如圖4所示。信號源發(fā)出的脈沖信號被兩個監(jiān)控節(jié)點同時采集，對比采集到脈沖信號的時間差，即可觀測出同步效果。

從測試結(jié)果可知，系統(tǒng)的整體同步延時小于100 ns，同步結(jié)果如表1所示。由于算法上每2 s對主從時鐘進行一次粗調(diào)制，四次粗調(diào)制后即每10 s對主從時鐘進行一次精調(diào)制，可以看出每10 s時同步精度明顯提高。

3 數(shù)據(jù)傳輸原理

本系統(tǒng)采用三級金字塔通訊結(jié)構(gòu)。第一級通訊設(shè)備為數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點，第二級通訊設(shè)備為基站，第三級通訊設(shè)備為監(jiān)控中心。一、二級通訊利用網(wǎng)絡(luò)，為光纖直連的有線通訊；二、三級通訊利用GPRS協(xié)議，為無線通訊。系統(tǒng)通訊架構(gòu)圖見圖5。

位于第一級的監(jiān)測節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包傳遞給相應(yīng)的基站，基站通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程的監(jiān)控中心。整個系統(tǒng)單周期通訊的網(wǎng)絡(luò)耗時不超過4.5 s。

4 結(jié) 論

系統(tǒng)采用模塊化搭建理念，具有較強的擴展性、穩(wěn)定性，維護簡單。系統(tǒng)的同步延時小于100 ns，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)耗時低于4.5 s。近年來利用光纖傳感技術(shù)搭建的安防系統(tǒng)的優(yōu)勢越來越突出，是重要場所的保障系統(tǒng)之一。本文搭建的分布式監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效實時地同步采集多條監(jiān)控線路數(shù)據(jù)，同步誤差小，網(wǎng)絡(luò)延時低，為提高安防系統(tǒng)預(yù)警的準確度提供了參考。

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（編輯：劉鐵英）