高峰+孔慶鋼

摘要：為了提高光纖安防系統(tǒng)的誤報(bào)率，需要同步采集多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)?；谕讲杉枨?，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于PXI總線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用多節(jié)點(diǎn)分布式布局方式搭建了監(jiān)控網(wǎng)，并通過IEEE 1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的同步采集，以及將各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)同步，有效解決了多分布點(diǎn)同步采集數(shù)據(jù)的難點(diǎn)，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(cè)量； PXI總線； 安防系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP 393.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.007

文章編號(hào)： 1005-5630（2017）02-0039-04

引 言

光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于其靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于安防領(lǐng)域[1-2]?？紤]到安防系統(tǒng)的誤報(bào)率、漏報(bào)率等指標(biāo)，需要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有分布式、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)[3]。隨著分布式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)對(duì)高精度時(shí)鐘同步的要求越來越高[4]。為滿足多節(jié)點(diǎn)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(cè)方案，通過PXI總線搭建的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，有效實(shí)時(shí)地實(shí)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(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、GPRS系統(tǒng)、遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)組成[7]。用戶通過監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程上位機(jī)軟件發(fā)送采集指令給PXI下位機(jī)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(shí)數(shù)據(jù)會(huì)保存在本地下位機(jī)平臺(tái)中，防止網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)數(shù)據(jù)丟失。為滿足各節(jié)點(diǎn)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(cè)節(jié)點(diǎn)的1588同步模塊，通過內(nèi)部同步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、PXI采集平臺(tái)、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(jī)箱和控制器搭建了系統(tǒng)的平臺(tái)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(shí)鐘實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)同步數(shù)據(jù)采集。分布式節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(cè)節(jié)點(diǎn)同步采集數(shù)據(jù)，需將各節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘同步，本系統(tǒng)采用了IEEE 1588協(xié)議來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘的同步。通過各節(jié)點(diǎn)的同步模塊來校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)鐘，從而控制數(shù)據(jù)采集模塊工作在同一頻率上，實(shí)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(shí)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(bǔ)償校準(zhǔn)時(shí)鐘偏差和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)[9]，硬件法主要是通過模塊中的FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的時(shí)間戳功能。本系統(tǒng)結(jié)合兩種方法的優(yōu)勢(shì)，采用軟硬結(jié)合的方式實(shí)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(jì)數(shù)器捕捉數(shù)據(jù)幀的收發(fā)時(shí)間，從而減少了協(xié)議棧時(shí)間波動(dòng)的影響。同步模塊通過PXI總線芯片與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)交互，從而校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)鐘。硬件原理圖如圖3所示。軟件部分的核心是對(duì)主從時(shí)鐘延時(shí)做補(bǔ)償，采用粗細(xì)調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式減少同步誤差[10]。

2.3 同步測(cè)試驗(yàn)證

驗(yàn)證同步模塊的同步效果，實(shí)際上就是驗(yàn)證IEEE 1588協(xié)議主從時(shí)鐘同步精度。將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的PXI系統(tǒng)一個(gè)作為主時(shí)鐘，一個(gè)作為從時(shí)鐘，同步后，同時(shí)采集信號(hào)源輸出的脈沖信號(hào)，并觀測(cè)同步效果，測(cè)試原理圖如圖4所示。信號(hào)源發(fā)出的脈沖信號(hào)被兩個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)同時(shí)采集，對(duì)比采集到脈沖信號(hào)的時(shí)間差，即可觀測(cè)出同步效果。

從測(cè)試結(jié)果可知，系統(tǒng)的整體同步延時(shí)小于100 ns，同步結(jié)果如表1所示。由于算法上每2 s對(duì)主從時(shí)鐘進(jìn)行一次粗調(diào)制，四次粗調(diào)制后即每10 s對(duì)主從時(shí)鐘進(jìn)行一次精調(diào)制，可以看出每10 s時(shí)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(jí)金字塔通訊結(jié)構(gòu)。第一級(jí)通訊設(shè)備為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，第二級(jí)通訊設(shè)備為基站，第三級(jí)通訊設(shè)備為監(jiān)控中心。一、二級(jí)通訊利用網(wǎng)絡(luò)，為光纖直連的有線通訊；二、三級(jí)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(jí)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)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(yuǎn)程的監(jiān)控中心。整個(gè)系統(tǒng)單周期通訊的網(wǎng)絡(luò)耗時(shí)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(qiáng)的擴(kuò)展性、穩(wěn)定性，維護(hù)簡(jiǎn)單。系統(tǒng)的同步延時(shí)小于100 ns，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)耗時(shí)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(shì)越來越突出，是重要場(chǎng)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(shí)時(shí)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(shí)低，為提高安防系統(tǒng)預(yù)警的準(zhǔn)確度提供了參考。

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（編輯：劉鐵英）