２０１５牟第１期 文章编号：１００９—２５５２（２０１５）ｏｌ一０１９８—０４ ＤＯＩ：１０．１３２７４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｈｄｚｊ．２０１５．０１．０５１ 北斗授时在同步数据采集仪中的应用 华云松，陈登科 （上海理工大学仪器仪表工程，上海２０００９３） 摘 要：为了解决数据采集仪之间远距离同步的问题，提出采取北斗授时和晶振频率误差补偿 的方法。首先通过从北斗卫星信号覆盖范围、卫星授时精度、可扩展的用户容限等方面的分析， 探讨了北斗授时应用于我国数据采集仪之间同步的可行性；接着介绍了同步数据采集仪的硬件 设计，然后分析了晶振频率的偏差对数据采集仪同步性能的影响，并通过软件方法补偿晶振频 率的误差；最后通过实际测试结果进行验证。 关键词：数据采集仪；北斗同步；频率修正 中图分类号：ＴＰ３９９ 文献标识码：Ａ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｅｉｄｏｎ’Ｓ ｔｉｍｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｉｎ ｓｙｎｃｈｒ０ｎｉｚａｔｉ０ｎ ａｍｏｎｇ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＨＵＡ ｒｕｎ—ｓｏｎｇ．ＣＨＥＮ Ｄｅｎｇ．ｋｅ （Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｂｅｉｄｏｕ’Ｓ ｔｉｍｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ａｎｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｒｒｏｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｉｔ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ’Ｓ ｃｏｖｅｒｅｄ ｒａｎｇｅ ｏｆ Ｂｅｉｄｏｕ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ，ｓａｔｅｌｌｉｔｅ’Ｓ ｇｒａｎｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｃａｌａｂｌｅ ｕｓｅｒ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｂｅｉｄｏｕ’Ｓ ｇｒａｎｔ ｔｉｍｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｎ ｉｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．Ａｆｔｅｒ ｔｈａｔ，ｉｔ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ’Ｓ ｂｉａｓ ｅｒｒｏｒ ｔｏ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｍｏｎｇ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ，ａｎｄ ｉｔ ｔｏｏｋ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｔｏ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｒｒｏｒ．Ｌｅａｓｔｌｙ，ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；Ｂｅｉｄｏｕ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ０ 引言 随着科技的发展，测试逐渐在人民生活和国家 建设中占有越来越重要的地位。数据采集是指将振 的基础。时问同步可以采取有线方式，也可以采取 无线方式 Ｊ。同步线同步适合近距离设备之间的 同步，精度高而且稳定；以太网时钟同步协议ＰＴＰ （Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏ１）是基于局域网实现测试系 动、温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字 量后，经过上位机应用软件分析、计算、仿真等进行 存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为数 据采集系统ｌ】Ｊ。测试设备的发展是朝着更加便携 更加智能的方向发展，从初期的大型测量设备 统高精度同步 ；卫星授时理论上能够让任何可接 收到卫星信号系统之间实现同步（目前北斗卫星只 能覆盖亚太地区）。本文主要研究我国自主研发的 北斗在数据采集仪之间同步授时的应用。 收稿日期：２０１４—０４—３０ 作者简介：华云松（１９７１一），男，副教授，博士后，硕士研究生导师， 研究方向为自动测量与检测技术、测试系统机电一体化 设计、机械结构创新设计等。通讯作者：陈登科。 到今天的各种各样便携式采集仪和智能化设备，使 得测试变得更加简单可靠。 在数据采集领域中，时间同步技术是保证同步 －－——１９８－－－—— １ 北斗授时应用于我国数据采集仪之 间同步的可行性分析 １．１ 卫星信号的覆盖范围 秒脉冲／（２Ｖ／格） ｌ Ｉ Ｊ －・ ｒ‘ Ｉ 北斗卫星信号的覆盖范围是北纬５。～５５。和东 经７０。～４Ｏ。之间的区域，上大下小，最宽处大约在 ＧＰＳ秒胴 ￡冲 ｌ／一 一 Ｉ 北 ｝秒脉冲 北纬３５。，包括我国及等岛屿、海域，还包 括我国周边的部分国家和地区 。在此范围内能 够全天候全天时地提供高精度定位、授时和短报文 通信服务。此外，由于北斗卫星位于赤道上空 ３６０００ｋｍ的静止轨道，高度约为ＧＰＳ卫星的１．８ 倍，接收机相对卫星的可工作仰角范围为１Ｏ。～ ７５。，遮蔽角比ＧＰＳ小，信号不易被接收机附近的高 （１００ｎｓ／格） 图１ 北斗与ＧＰＳ秒脉冲上升沿对比图 １．３可扩展的用户容量 北斗导航系统具有单向和双向２种授时功能， 根据不同的精度要求，提供ｌＯＯｎｓ（单向授时）和 ２０ｎｓ（双向授时）的时间同步精度 Ｊ。授时技术的 可扩展性受到用户容量的，因此必须考虑北斗 授时的用户容量问题。 大物体遮蔽，该特点特别适合我国一些高山地区的 测试环境。 １．２北斗授时同步性能 授时脉冲的同步性能体现在上升沿同步精度和 上升沿斜率两方面。北斗系统单向无源授时只要锁 住一颗可用卫星，即可获得授时信息，北斗星历电文 的更新率为每分钟一次，分脉冲（Ｐｕｌｓｅ Ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ， 在单向授时模块已知用户机精密坐标的情况 下，北斗信号接收模块不需要与地面中心控制系统 进行交互就可知卫星信号传送至地面中心控制系统 的传输时延。双向授时是通过定时接收机与地面中 心控制系统交互的方式来进行授时，因此系统的用 ＰＰＭ）的授时精度服从正态分布，授时脉冲的１仃精 度在ｌＯＯｎｓ以内，秒脉冲由授时卡根据星历信息再 处理获得，精度在３００ｎｓ以内。 户容量取决于中心站允许的信道阻塞率、询问信号 速率和用户的响应频率，用户数量受到一定的。 一为测试北斗授时脉冲的同步精度设计了北斗与 ＧＰＳ的授时脉冲触发对比试验，将北斗秒脉冲和ＧＰＳ 般情况下当同步相量测量装置的接收天线安装好 后就不会移动位置，因此可在安装好后将天线的位 置坐标通过软件写入北斗授时模块中，授时模块在 知道位置坐标的情况下采用单向授时方式，用户设 备容量就不受 。 。 秒脉冲同时引入示波器，记录两个脉冲的上升沿时间 差。随机抽取１２００组数据进行统计，北斗与ＧＰＳ的 秒脉冲时间误差主要分布在０．５１ｘｓ的范围内，已满足 数据采集系统同步测量要求。如图１所示。 ２ 方案设计 数据采集仪的硬件模块框图如图２所示。 模拟端输入 调理电路１ 高２４精度Ａ位∑一Ｄ△Ｃ Ｆ ．＿１ ＴＤ３０１５ Ｉ ｌ ＮＡＮＤ ＭＤＤＲ 模拟端输入 调理电路１ 高精度Ａ２４位∑一Ｄ△Ｃ Ｐ Ｇ ｌ ｆ｝ ＦＬＡＳＨ ｌ 一ｆ１ ＾。６。 Ｈ 同步信号 Ｃ６－１ｎｔｅｇｒａ ＤＳＰ＋ＡＭＲ 模调拟理端电输路１入 ２高４精位度Ａ∑一Ｄ△Ｃ Ａ ｆ ｆ 高２４精位度∑Ａ一ＤＡＣ ．＿Ｊ数Ｄ字ＴＣ温Ｏ补０．１晶ＰＰ振 ｌＩｌ １６ＧＢＴＦ ｆＪ 电源路 号接收模块ＴＤ３０１５，以及电源和晶振等。 图２数据采集仪的硬件模块框图 系统主要模块包括：模拟信号调理与ＡＤＣ采集 模块，ＦＰＧＡ控制模块，ＤＳＰ数据处理模块，北斗信 模拟信号调理部分可接各种振动或声传感器的 一１９９— 模拟信号，输入有ＡＣ、ＤＣ、ＩＣＰ等多种模式，并由软 件通过ＦＰＧＡ控制。前端采用２级运放和可编程增 益放大，总体效果达到最佳。 模拟转换器ＡＤＣ采用ＣＩＲＲＵＳ ＬＯＧＩＣ公司业 界最新的ＣＳ５３８１，２４位分辨率，动态范围１２０Ｄｂ，可 以设置多种采样频率，单通道最高可达１９２ｋＨｚ。另 外，它使用了一个５阶多位△一∑调节器，结合数字 滤波器和简化器，并可选择数字滤波模式，从而无需 外置抗混滤波器，由于采用差分结构，可提供卓越的 抗噪性能。 ＦＰＧＡ采样ＸＩＬＩＮＸ公司的ＸＣ３Ｓ５００Ｅ，其性价 比高，配合１ＧＢ的大容量ＤＤＲ２存储器，主要负责 把ＡＤＣ出来的数据汇总、缓存、发送给处理器，并可 以进行实时基线校正和滤波等，处理速度快。并负 责前面调理电路的控制。 数据处理、存储与传输模块采用ＴＩ公司的 ＡＲＭ＋ＤＳＰ多核处理器ＯＭＡＰＬ１３８，主频可达 ５２７ＭＨｚ，体积小，功耗低，处理器之问通信效率高， 内部集成了ＳＤ卡、ＤＤＲ、ＵＳＢ、ＳＡＴＡ、ＵＡＲＴ、以太网 ＭＡＣ、实时时钟等接口。其中，ＡＲＭ负责网络通信 与存储等任务；ＤＳＰ为定浮点兼容Ｃ６７４Ｘ核，可实 时进行基线校正、ＩＩＲ滤波、Ｆ订变换、各通道相关和 传函、加窗、统计最大最小值及各种平均值的计算。 同步模块主要完成不同采集仪之间的同步。 ＴＤ３０１５双模授时模块支持ＢＤ２ Ｂ１频点和ＧＰＳ Ｌ１ 频点的双模授时，内部集成了具有中国自主知识产 权的ＢＤ２ Ｂ１／ＧＰＳ Ｌ１双模ＳＯＣ基带芯片和一个可 配置的ＢＤ２ Ｂ１／ＧＰＳ Ｌ１双模射频芯片，能够实现高 精度、低成本的解决方案。其功能框图和电路设计 如图３—４所示。 图３ ＴＤ３０１５功能框图 设计中ＴＤ３０１５模块通过ＲＦ—ＩＮ连接ＳＭＢ接 口，外部可接支持ＢＤ２ Ｂ１／ＧＰＳ Ｌ１有源授时天线， 并对其供电。空中卫星信号被天线接收后发送给射 频芯片，射频芯片内部经ＬＮＡ放大、混频处理后送 到中频滤波器，然后通过ＶＧＡ和ＡＧＣ，再经过ＡＤ 一２００～ 图４ ＴＤ３０１５模块的电路设计简图 转换成数字中频信号送给基带芯片 。基带芯片 接收到射频芯片送来的数字中频信号，经过捕获和 跟踪、定位解算等一系列算法处理后，通过串口输出 ＮＭＥＡ数据并给出１ＰＰＳ信号和ＴＩＭＥＭＡＲＫ 信号 。 ３ 数据采集仪之间的同步与晶振频率 偏差的校准 在ＴＤ３０１５的￥ＢＤＺＤＡ信息中就包含有跳秒修 正参数，而且一旦授时有效，北斗模块可以自己计算 并更新到准确的ＵＴＣ时间，实现精准对时。北斗模 块可以通过解析还能够发送出准确的１ｐｐｓ（秒脉 冲），该秒脉冲与卫星发送的ＵＴＣ时间严格对准，模 块在每一秒发送一个周期的方波脉冲，此时钟可以 作为标准同步时钟源，当达到所设置的同步时间后， 以此时钟作为采样的触发信号，方可同步采集数据。 在一个设备中存在多个模拟数字转换器，要实 现设备之问的同步，首先应解决的是一个设备中多 个模拟数字转换器之间的同步，这个过程是由ＦＰ ＧＡ配合模拟数字转换器来统一完成的，通过ＦＰＧＡ 对同步命令端口的控制，达到各通道之间的同步。 另外相对于其他设备，整个ＡＤ转换电路的同步时 钟也是由ＦＰＧＡ发出，进行统一控制的。ＡＤＳ１２８１ 的同步是通过管脚ＳＹＮＣ来实现的，当有一个共同 的事件同时操作在多个ＡＤＳ１２８１的ＳＹＮＣ管脚时， 就能够同步多个模数转换的进行。 不同地点仪器之间的同步过程。首先，设置每 台仪器在同一个时刻开始同步采集，当ＴＤ３０１５接 受到北斗卫星发出的１ｐｐｓ时，比对接受到的ＵＴＣ 时间和本身设置的时间是否一致，如果一致下一个 秒脉冲到来时，就初始化各台仪器的ＡＤ，由于ＡＤ 初始化需要一定的时间，必须等各台仪器ＡＤ初始 化完成之后的下一个秒脉冲到来时，各台仪器才开 始采数，这时各台仪器已经同步工作了。 晶振频率的误差分析。晶振选用丰雁公司的普 处理部署流程自动化的脚本化接口能够在每次 执行时提供可重复的结果。如果不得不使用用户界 面一次又一次地做同样的工作，那么即使是最先进 ３ 结束语 数据库对自动化提出了一个真正的挑战。将数 据库对象变更脚本写进传统的版本控制系统或者使 用“比较＆同步”工具，对于自动化而言，这两种理 念要么效率不高，要么是件纯冒险的事，因为它们彼 此之间互不知晓。要以数据库ＤｅｖＯｐｓ的形式实现 一的解决方案也会变得繁琐。 提供可靠的部署脚本，能够解决冲突、合并代 码、以及与其他团队交叉更新；同时还能忽略错误的 代码覆盖，以及完全集成到版本控制库。 种更好的解决方案。数据库ＤｅｖＯｐｓ应该遵循已 动态提供自动生成的开发脚本，处理部署项目 范围内的任意组合，从多模式的大型更新，到基于单 经证明了的变更管理最佳实践，在数据库上强制实 行单一的变更流程，能够解决部署冲突，降低代码覆 盖、交叉更新和代码合并的风险，同时能够插入到发 布流程的其余部分。 参考文献： ［１］梁为，凌怀新，张晓刚，等．基于Ｏｒａｃｌｅ的日志分析器［Ｊ］．计算 机应用，２００３（７）：１２１—１２３． 任务的变更及其所依赖的对象。 在变更部署前后，利用“标签”（标记数据库结 构快照和相关内容）作为安全网，这样，随时都可以 简单快速地回滚。 可以完全集成到其它系统（ＡＬＭ、变更管理／问 题单、构建服务器以及发布管理器）。 实现一种能够应对这些挑战的解决方案，将使 企业能够实行恰当的数据库自动化。数据库自动化 ［２］郑祥云，张娟，葛文庚．数据库同步中差异数据捕获方案设计与 实现［Ｊ］．电脑知识与技术，２００９（７）：１４５４—１４５５． ［３］杨鹏．异构数据库同步中间件技术的研究与实现［Ｄ］．长沙：国 防科学技术大学，２００７． 很容易与变更和发布流程的其余部分集成，进而实 现完整的端到端的自动化。 （上接第１９７页） ［４］郑风朝．面向数据集成应用的ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ数据库的日志分析研 究［Ｄ］．广州：暨南大学，２００８． 责任编辑：肖滨 要点和难点，以及Ｐｐｐ认证方式做了分析和研究，就 局域网中配置的要点和难点做了总结。通过本文可 ｐａｓｓｗｏｒｄ ｓｉｍｐｌｅ ｒｔ ｓｅｒｖｉｃｅ——ｔｙｐｅ ＰＰＰ 以实现一个小型基于静态路由协议和ｅｐｐ认证的局 域网配置。 参考文献： ［１］Ｃｏｈｏｎ Ａ．Ｃｉｓｃｏ ｌＯＳ ｆｏｒ ＩＰ Ｒｏｕｔｉｎｇ［Ｍ］．３ｒｄ ｅｄ．，Ｒｏｃｋｅｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．，２００３． 而在ＲＴＡ认证端上的接口配置如下信息即可： ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｅｒｉａｌ０／１ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｌｉｎｋ——ｔｏ——ｒｔｂ ｌｉｎｋ——ｐｒｏｔｏｃｏｌ ＰＰＰ ＰＰＰ ｃｈａｐ ｕｓｅｒ ｒｔａ ｉｐ ａｄｄｒｅｓｓ １９２．１６８．１．２ ２５５．２５５．２５５．２５２ 【２］Ｒｅｋｈｔｅｒ Ｙ，Ｌｉ Ｔ．ＲＦＣ１７７１，Ａ Ｂｏｒｄｅｒ Ｇａｔｅｗａｙ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ４（ＢＧＰ一 ４）［Ｓ］．１９９５． ［３］Ｐａｒｋ Ｊ，Ｓａｎｄｈｕ Ｒ．Ｔｈｅ ＵＣＯＮＡＢＣ ｕｓａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＡＣＭ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，２００４，７（１）： １２８—１７４． 这样配置完毕，通过查看链接状态的命令查看 其端口信息为ｕｐ状态，且能够ｐｉｎｇ通对端即表示 配置成功。 ［４］Ｈｉｌｌ Ｂ．Ｃｉｓｃｏ完全手册［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００２． ［５］赵冶东，张东亮，李渊，等．路由交换技术［Ｍ］．北京：清华大学出 版社，２０１１． ３ 结束语 本文就局域网中静态路由的配置、ＮＡＴ的配置 （上接第２０１页） 责任编辑：薛慧心 Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，Ｓａｌｔ 参考文献： ［１］何朝阳，高金萍．基于ＰＣＩ总线的高速高精度实时数据采集系 统【Ｊ］．计算机测量与控制，２００３，１１（５）：３７１—３７４． ［２］郑菁．时间同步系统在电信网的应用研究［Ｊ］．通信世界，２００４ （１）：３６—３７． Ｌａｋｅ，２０００：２１７５—２１８３． ［５］王文瑜，基于北斗卫星的授时系统研制［Ｄ］．北京：北京邮电大 学电子工程学院，２００８． ［６］陈孟元，凌有铸，王冠凌．北斗卫星导航系统与ＧＰＳ互备的广播 电视授时单元［Ｊ］．电视技术，２０１０，３４（６）：６０—６３． ［３］关松青，肖昌炎，夏晓荣．ＩＥＥＥ】５８８协议在工业以太网中的实 ［７］杨阳，项力领，胡智慧．基于双模导航定位模块的视频字符叠加 系统［Ｊ］．吉林大学学报（信息科学版），２０１３，３１（５）：５０１—５０７． ［８］李岩．ＣＤＭＡ手机显示时间和北京时间不一致问题分析［Ｊ］．硅 谷，２０１ｌ（１３）：１４８． 责任编辑：薛慧心 现［Ｊ］．计算机工程，２０１１，３７（６）：２３７—２３８． ［４］Ｓａｎｄｈｏｏ Ｋ，Ｔｕｒｎｅｒ Ｄ，Ｓｈａｗ Ｍ．Ｍｏｄｅｒｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｌｏｂ￣ｐｏｓｉｔｉｏ— ｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １３ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ －－－——２０４．．．——
