CN102111261B - 基于tdmow串行总线的分布录波器同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TDMOW串行总线的分布录波装器同步方法。串行总线分布录波器中的各个子录波器均设置有同步时钟、数据接口电路与校时信号控制电路。装置中所有子录波器均为从站，编号最小的子录波器兼做主站，通过总线发送帧基准信号同步从站的本地时钟，并通过校时分脉冲标记编码向从站传送校时信号，实现数据标记与统一校时。工作时，所有子录波器在时钟的同步下，按时分切换方式同时、依次将各自的控制信号编码发送到总线上；总线通过“线或”运算来合成状态位编码。编码信息按帧传输，子录波器接收编码，通过解码获得控制信息，配合同步算法实现数据的严格同步。本发明通过TDMOW总线来传输时钟信号、校时信号与同步控制信号，同步效果好，实现简单。

Description

基于TDMOW串行总线的分布录波器同步方法

技术领域

本发明属计算机应用领域，涉及计算机处理的高速测量记录系统，特别是基于TDMOW串行总线的分布录波器的同步方法。

背景技术

分布录波装置具有容量大、通带宽、风险低等一系列优点，但如何解决装置中多个分布、并行工作的子录波器数据同步的问题则是技术关键。并行总线分布录波装置中，子录波器通过并行总线接口连接到系统母板上实现集成，并通过并行总线和设置于母板上的复杂控制电路实现多个子录波器数据的严格同步。而串行总线分布录波装置则取消了复杂的并行总线和母板，装置中的多个子录波器改用串行总线接口连接到TDMOW总线上实现集成，并通过TDMOW总线传输和接收编码信号，以实现装置中多个子录波器数据的严格同步。TDMOW总线即时分多路1总线，它仅由一根信号线与一根地线构成，结构简单，接口方便。但由于取消了带复杂同步控制电路的母板，也不再使用专门的时钟、校时以及同步控制等并行总线，所以串行总线分布录波装置在实现系统同步上采用了与并行总线分布录波装置不同的方法，其中特别是 SHAPE  \* MERGEFORMAT 关于帧基准编码、校时分脉冲延迟标记以及多站群发与总线“线或”等，有效地解决了时钟同步、数据标记与统一校时以及数据同步等问题，是本发明的创新所在。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于TDMOW串行总线分布录波器的同步方法，以实现装置中多个分布、并行工作的子录波器数据的严格同步。

本发明的目的是这样达到的：多个子录波器通过TDMOW串行总线连接起来构成分布录波装置，装置中所有子录波器均设置有同步时钟、总线数据接口电路与校时信号控制电路；同步时钟电路包含本地时钟和基准时钟，总线数据接口电路包含接口驱动电路、微帧数据分时控制切换电路、串行编码电路和串行解码电路，校时信号控制电路包含校时分脉冲自动切换电路和校时分脉冲延迟电路。装置中所有子录波器均为从站，而编号最小的子录波器在作为从站的同时将自动成为主站，主站通过向总线发送帧基准编码信号来同步其它所有子站的时钟；主站还通过总线发送帧头编码信号及分校时脉冲编码信号，同时所有子站均通过总线发送编码数据，各个子站编码输出信号Cout与共享的编码输入信号Cin是“或”的关系：总线上的信息按帧编码，按帧传输。工作时，各个子录波器首先通过I/O口输出控制信号，并在20mS时钟前沿将信号锁存，然后对控制位进行编码，之后装置中所有子录波器在各自时钟的同步下将数据帧编码信号按时分切换的方式同时、依次发送到总线上，在TDMOW总线上经过“线或”运算来合成状态位编码；同时各个子录波器接收编码，经过解码，得到各种同步状态位，再由微处理器ARM读取，从而实现装置中多个子录波器控制数据的传输与共享。

本地时钟包含若干同源、同步、不同频率的脉冲信号输出。基准时钟则负责输出帧基准信号。主站将帧基准编码信号发送到总线上。所有子站通过总线同步接收该信号，经过解码，同步延迟，获得帧同步脉冲信号。该信号将直接连接到子录波器本地时钟系统的外同步信号输入端，用以同步本地时钟，从而保证所有连接到总线上的子录波器的本地时钟与主站的本地时钟同步。 

本地时钟输出的同源、同步、不同频率的脉冲信号来自同一个4M晶振源及相关级联分频电路，包括4MHz或250nS、1MHz或1uS、40KHz或25uS、10KHz或100uS、5KHz或200uS、50Hz或20mS、10Hz或100mS以及1Hz或1S八种不同频率或周期的脉冲信号。此外，基准时钟电路还提供一路20mS帧基准信号（LST）输出。在这些信号中，250nS、1uS、25uS、200uS 及20mS五路信号在经过脉宽整形电路与延迟电路处理后，将用作数据编码、解码以及微帧切换的同步控制信号，其中200uS 、25uS 、1uS时钟及20mS基准时钟将用作编码电路同步信号，25uS 、1uS及250nS时钟将用作解码电路同步信号，20mS 、200uS及25uS时钟将用作微帧数据时分控制切换电路同步信号；而1MHz、10KHz、20mS、100mS以及1S五路脉冲在经过另一组脉宽整形电路以及延迟电路处理后，被送到子录波器的采样电路以及DSP与ARM的中断输入引脚，其中1MHz信号用作ADC转换时钟，10KHz信号主要用作数据锁存与采样同步信号，20mS脉冲用作DSP到ARM的数据传输同步信号以及计算分段同步信号，100mS时钟用作计算同步与队列同步的参考信号，1S时钟用作时钟同步参考信号。

校时信号控制电路包含校时分脉冲自动切换电路和校时分脉冲延迟电路。校时分脉冲自动切换电路能同时接收来自外部GPS以及本机日历时钟芯片M41ST95的分校时脉冲信号，并自动选择其中一种作为系统校时分脉冲。系统的绝对授时来自GPS或日历时钟，也由装置自动选择其中一种作为系统绝对授时基准。同步校时与数据标记的实现过程如下：在主站发送到总线的每个微数据帧中都包含有校时分脉冲标记段，平常该段标记为0，当系统校时分脉冲到来时，一方面主站将立即进行数据标记和同步校时，同时校时分脉冲延迟电路自动将该脉冲信号延迟至下一个微数据帧时间，以使该微帧中校时分脉冲标记段被标记为1，从站通过总线接收数据帧信息，经过解码，获得校时分脉冲信号，然后进行数据标记和同步校时。主站在通过RS485网将系统绝对日历时间发送给所有从站的同时，还将自己记录的绝对标记时间以及标记点和偏差值发送给所有从站，作为数据时间标记的基准。

采样同步的具体方式是：采样同步脉冲来自子录波器本地时钟的10KHz分频电路，该脉冲经过脉宽及延迟处理后，加载到子录波器模数转换与数字锁存电路的同步触发端上，而模数转换就绪信号则连接到DSP的中断引脚上；上电后，子录波器搜寻来自总线的帧基准信号，当接收到第一个帧基准信号时，本地时钟分频系统被清零，然后开始同步分频计数，同时DSP立即开放INT0中断，开始进入正常工作程序并准备接收ADC发来的转换就绪信号，此后主站帧基准信号将定时同步所有子站的本地时钟，而所有子站则将在本地10KHz采样时钟的同步下，定时同步触发子录波器的模数转换及数字锁存电路，然后由DSP读取采样数据，从而保证装置中各个子录波器的所有模拟与数字通道采样的严格同步。

传输同步的具体方式是：传输同步脉冲来自子录波器本地时钟的20mS分频电路，该脉冲经过脉宽及延迟处理后，加载到子录波器DSP的中断引脚上，上电后，子录波器搜寻来自总线的帧基准信号，当接收到第一个帧基准信号时，本地时钟分频系统被清零，然后开始同步分频计数，同时DSP将开放中断，开始接收20mS数据同步传输信号；此后主站帧基准信号将定时同步所有子站的本地时钟，各个子录波器在10KHz采样脉冲的触发下定时同步采样；每经过20mS，完成200次采样后， DSP将收到同步传输信号送来的请求传数中断，DSP响应中断，将此前20mS各通道的采集数据与计算数据传送给ARM，从而保证各个独立的子录波器各自的数据流在数据传输上的分段同步。

计算同步的具体方式是：在各个子录波器上设置了1组I/O口用于计算同步，其中EGPIO7用于输出计算控制位，COL5用来接收计算状态位；在每个20mS时钟的前沿，装置中所有子录波器各自计算控制位的状态将被锁存，然后经编码后同时发送到总线上，在TDMOW总线上经过“线或”运算，合成后的状态位编码再输回到各个子录波器，经过解码，最后被锁存到各个子录波器的计算状态位锁存器中，再由ARM读取；工作时，每当子录波器发起计算，应将计算控制位置1，而每当子录波器结束计算，则应将计算控制位置0；子录波器在进入计算之前先检测计算状态位，如果计算状态位为0，表示没有其它子录波器处于计算中，本子录波器可以发起新的一轮计算，而如果计算状态位为1，即总线合成电平Cin输出为高，则表示目前系统中尚有子录波器处于计算中，不能发起新的一轮计算，需要等待；当所有子录波器都完成了本轮计算，其中最后一个完成的子录波器将其计算控制位置0后，总线合成电平Cin输出变低，在紧随其后的下一个数据帧中，各个子录波器将检测到计算状态位被置0，才可开始新的一轮计算，从而保证了装置中所有子录波器在数据计算上的分段同步。

队列同步的具体方式是：在各个子录波器上设置了1组I/O口用于队列体同步控制，其中EGPIO6用于输出队列同步控制位，EGPIO9用来接收队列同步状态位；工作时，所有从站都将队列同步控制位固定置0，而主站平时也将队列同步控制位置0，但在每个100mS时钟的前沿，主站将检查自身的数据队列，如果这时数据队列无堆积，主站则将其队列同步控制位置1，以通知装置中其它所有子录波器，现在可以进入同步；而在数据队列有堆积或非100mS时钟前沿开始的数据帧时间内，主站将保持同步控制位为0，以通知装置中其它所有子录波器，现在不能进入同步；而所有从站通过总线接收该信号，并解码、锁存，由ARM读取，从而获得系统队列同步状态信息。

同步录波的具体方式是；在子录波器上设计了3组共6个I/O口用于录波、录值与定值同步控制，其中EGPIO3、EGPIO4、ROW7分别用于输出录波控制位、录值控制位与定值控制位，COL7、COL6、COL4分别用于接收录波状态位、录值状态位与定值状态位；录波、录值与定值这3种不同的状态位可以用来区别不同的录波阶段或录波请求，其中录波位置1表示要求记录实时波形数据；录值位置1表示要求记录数据的有效值；定值位用以区分不同的起动类型。工作时，每当有子录波器需要发起录波或录值，应分别将其自身的录波控制位或录值控制位置1，以通知装置中其它所有子录波器，立即响应同步录波或录值；而每当发起录波或录值的子录波器按要求需要结束录波或录值过程时，则应将其自身的录波控制位或录值控制位置0，以通知装置中其它所有子录波器，结束同步录波或录值过程；同步录波控制位、录值控制位与定值控制位的状态将在每个20mS数据帧的前沿被锁存，然后分别经过编码，加载到TDMOW串行总线上；各个子录波器所加载的编码信号经过“线或”运算合成后，所得到的录波状态、录值状态和定值状态的合成编码由各个子录波器接收、解码，并分别锁存到各自的录波、录值与定值状态位锁存器中，由ARM读取；然后子录波器将检查录波或录值状态位的状态，以确定是否需要响应同步录波或录值，以及是否需要结束录波或录值过程，从而实现装置中所有分布、并行工作的子录波器的同步录波。

本发明的积极效果是；串行总线分布录波装置中多个子录波器通过TDMOW串行总线相连，其结构简单，成本更低且适合在一定地域的分布安装。为了实现同步，装置中的主站子录波器将定时向总线发送帧基准编码信号，以同步其它所有子站的本地时钟；同时主站还在校时分信号出现时对脉冲进行延迟，以便通过带校时分脉冲标记编码的微数据帧向其它所有子站发送校时分脉冲信息，从而实现系统的数据标记与统一校时。此外，TDMOW总线还具有“线或”结构，支持多站群发，装置中的所有子录波器可以通过总线同时发送同步控制编码信号，并通过“线或”运算直接获得控制状态位编码信息，这不仅提高了传输效率，同时也保证了信号接收的同步以及装置中多个分布、并行工作的子录波器数据的严格同步。

附图说明

图1是TDMOW串行总线分布录波器时钟系统原理框图。

图2是用帧基准信号同步子录波器本地时钟的原理波形图。

图3是帧基准信号解码与帧基准脉冲延迟电路原理图。

图4是帧基准信号解码与帧基准脉冲延迟信号波形图。

图5是串行总线分布录波器同步采样流程图。

图6是串行总线分布录波器数据同步传输流程图。

图7是串行总线分布录波器同步计算时序图。

图8是串行总线分布录波器同步计算及队列同步流程图。

图9是串行总线分布录波器同步计算及同步录波流程图。

图10是串行总线分布录波器校时控制电路原理图。

图11是串行总线分布录波器校时分脉冲延迟电路图。

图12是串行总线分布录波器校时分脉冲延迟信号波形图。

具体实施方式

TDMOW 串行总线分布录波器与并行总线分布录波器同属分布录波装置，都面临一个如何解决装置中分布、并行工作的多个子录波器数据同步的问题。而两种录波器在实现数据同步的技术方法上存在明显的不同，其主要的区别在于： 

1、时钟系统：在传统录波器以及基于并行总线的分布录波器中，装置使用统一的系统时钟，所以对各个子录波器而言，时钟本身总是一致的、同步的。但在基于TDMOW串行总线的分布录波器中，各个子录波器均使用各自的本地时钟，这就存在各个子录波器本地时钟之间同步的问题。为此，采用在子录波器上同时配置本地时钟与20mS帧基准时钟的方法。帧基准时钟与本地时钟同源却相对独立。工作时，作为系统主站的子录波器将通过总线定时向装置中所有其它从站子录波器发送20mS帧基准编码信号。该信号被所有从站同步接收并解码。解码后的帧基准信号经过同步延迟，然后直接输出到各个子录波器本地时钟的外同步端，用以同步本地时钟，从而使系统中所有时钟信号以主站帧基准信号为参考，实现同步。

2、同步控制：在两种分布录波器中，各个子录波器都配置有专门的I/O口用以输出同步控制信号和接收同步状态信号，并以此来实现各个子录波器之间的同步联络。但不同的是，在并行总线录波器中，同步控制信号是在母板上通过或门运算后直接获得状态信号，该信号在20mS时钟的前沿被锁存，再由ARM读取。很明显，其获得同步状态信号的整个过程是由硬件完成的，没有滞后且与20mS时钟信号严格同步。而在串行总线分布录波器中，同步控制信号是通过编码发送到总线上的。如果简单地按时分切换的方式，让各个子录波器依次发送完自己的控制信号编码，然后通过接收、解码、运算再来获得相应的同步状态信号，则会出现严重滞后且不同步的情况。为此特别将TDMOW总线设计成具有“线或”结构，并支持多站群发。工作时，各个子录波器输出的同步控制信号首先在20mS时钟信号的前沿被锁存，这些被锁存的信号称作控制位。然后子录波器对控制位进行经编码。之后各个子录波器将在时钟的同步下，逐帧将各自的控制位编码数据发送到总线上。由于支持多站群发，所以各个子站可以同步、同时发送编码信号。而由于TDMOW总线具有“线或”功能，所以同时加载到总线上的各个子站的编码信号可以在总线上经过“线或”运算直接合成状态位编码，该编码将由各个子录波器实时、同步接收并解码，解码结果再由ARM读取。这样既提高了总线信号的传输效率，减少了滞后，同时也实现了同步运算与同步接收。

3、同步校时与时间标记：在并行总线分布录波器中，每当主站接收到校时分脉冲信号，该信号也直接通过集成在系统母板上的校时总线输出到其它所有从站上，因此从站与主站收到校时分脉冲信号的时刻是一致的。而在串行总线分布录波器中，由于系统没有设置专门的校时总线，主站在收到校时分脉冲后，必须通过编码，才能将该信号发送给其它从站，所以从站接收到的校时分脉冲信号比主站接收到的信号滞后。考虑到校时分脉冲信号与帧信号并不同步，为了在校时分脉冲信号出现后主站能够及时对其进行编码并将其发送给从站，特别将微数据帧中的14到17位设计为校时分脉冲标记段。平常没有校时分脉冲出现时，标记段标记为0。而每当有校时分脉冲出现时,主站则将在紧随其后的下1个微数据帧中,将校时分脉冲标记段标记为1。为此系统增加了校时分脉冲延迟电路，以便在主站校时分脉冲出现后,能将该脉冲自动延迟到下一个微数据帧的校时分脉冲标记段,然后完成标记。被标记的微数据帧被发送到总线上，由从站接收、解码，从而获得校时分脉冲信号，完成数据标记与同步校时。标记与解码延迟造成从站收到分校时脉冲较主站要滞后24—49uS时间。由于该滞后时间远小于1mS的校时精度要求，所以不会影响系统同步校时，但却会造成主站与从站数据标记结果不一致的情况，主站记录值比从站记录值少24—49uS，而主站标记的结果才是正确的，从站标记结果只能做参考。所以为了保证标记正确、一致，在TDMOW串行总线分布录波装置中，各个从站子录波器应统一使用主站标记结果。为此主站子录波器在通过RS485网向从站子录波器广播绝日历时间的同时，应将自己记录的绝对标记时间以及标记点和偏差值发送给所有从站子录波器，作为时间标记的基准。 

附图给出了本发明的具体实施技术细节。

图1为TDMOW总线分布录波装置中各个子录波器时钟电路原理框图。由图可见，串行总线子录波器的同步时钟烧制在isp芯片中，它包括本地时钟、基准时钟以及脉宽整形与脉冲延迟电路等。其中本地时钟具有4MHz或250nS、1MHz或1uS、40KHz或25uS、10KHz或100uS、5KHz或200uS、50Hz或20mS、10Hz或100mS以及1Hz或1S八种不同频率或周期的脉冲信号输出，基准时钟电路则提供1路20mS基准脉冲信号（LST）输出。由于这些信号本身均源于同一个4M晶振源，并通过isp中的相关级联分频电路获得，所以它们应是同源、同步的。

在这些信号中，250nS、1uS、25uS、200uS 时钟及20mS  五路信号在经过脉宽整形电路与延迟电路处理后，将用作数据编码、解码以及微帧切换的同步控制信号；其中200uS 、25uS 、1uS时钟及20mS基准信号LST将用作编码电路同步信号；25uS 、1uS及250nS时钟将用作解码电路同步信号； 20mS 、200uS及25uS时钟将用作微帧数据分时控制切换电路同步信号。而1MHz、10KHz、20mS、100mS以及1S五路脉冲在经过另一组脉宽整形电路以及延迟电路处理后，被送到子录波器的采样电路以及DSP与ARM的中断输入引脚。其中1MHz信号用作ADC转换时钟。10KHz信号主要用作数据锁存与采样同步信号。20mS脉冲用作DSP到ARM的数据传输同步信号以及计算分段同步信号。100mS时钟用作计算同步与队列同步的参考信号。1S时钟用作时钟同步参考信号。

考虑到对等特性，所有子录波器上的同步时钟结构均是完全相同的。但由于时钟系统晶振源的频差问题，使得在通常情况下，各个子录波器的本地时钟工作并不同步。为此本装置采用了帧基准脉冲同步方法来同步各个子录波器的本地时钟。即装置工作时，总以主站子录波器的基准时钟作为系统标准，通过主站定时向总线发送20mS帧基准脉冲信号，而所有从站子录波器则通过总线接收该基准信号，并用该基准信号去清零和控制本地时钟的相关分频计数器，从而达到所有子录波器的本地时钟与主站系统时钟同步的目的。

帧基准同步方法的工作原理可以用10KHz（100uS）同步采样时钟为例来加以说明。10KHz时钟信号是从子录波器的4M晶振源经400分频后获得的。参考图2，设0号子录波器作主站，并以其10KHz时钟为标准。图2中从上往下第1个波形是0号子录波器的标准10KHz方波；第2个波形是1号子录波器的10KHz方波，设其相对于0号子录波器的标准10KHz方波偏差为＋10ppm；第3个波形是N号子录波器的10KHz方波，设其相对于0号子录波器的标准10KHz方波偏差为－10ppm；第4个波形则是20mS帧基准脉冲波形。由于20mS帧基准脉冲来自主站（本例中主站即为0号子录波器），是从主站的4M晶振源经400x200分频后获得，所以20mS帧基准脉冲与0号子录波器的标准10KHz时钟是同源、同步的。设在初始t0时刻各波形前沿是对齐的，在t1时刻1号和N号子录波器的10KHz脉冲波形的前沿相对主站标准10KHz波形出现了偏差，约为±1nS。到t3时刻，即20mS中的最后一个100uS采样脉冲时，1号子录波器时钟波形的前沿已快了200nS，而N号子录波器时钟波形的前沿则慢了200nS。t3时刻20mS帧基准脉冲前沿将各子录波器的分频计数器清零。于是从t3时刻开始，各个子录波器本地时钟的分频器将重新对各自的4M晶振源输出脉冲进行分频计数。这就使得各个子录波器10KHz方波的前沿在这一时刻重新对齐，误差归零。在t4时刻，各个子录波器10KHz波形前沿与主站标准10KHz波形会再次出现偏差，但只有约±1nS。如是重复。很显然，由于引进了帧基准同步机制，从而保证了各个子录波器的时钟因晶振频差引起的误差不超过200nS，即不到4M晶振源一周（250nS）的误差，且不会积累。

需要注意的是，由于帧基准时钟是作为同步所有子站本地时钟的标准，所以其本身不能来自本地时钟分频系统。但是另一方面，为了消除频差及初始相位差带来的误差，帧基准时钟又必须与本地时钟系统同源。也就是说，帧基准时钟必须来自与本地时钟同一晶振源的独立的分频电路。这就是为什么在TDMOW串行总线子录波器上要同时配置本地时钟和基准时钟这两套不同时钟的原因。在这样的情况下，主站的本地时钟与帧基准时钟实际上总是同源、同步的。因此，用主站本地时钟的1uS时钟去编码帧基准信号以形成帧头是不会带来误差的。但对其它子站而言，用各子站的本地时钟来解码主站发送到总线上的帧基准时钟编码信号则可能出现一定误差。但由于各子站的本地时钟是由帧基准来同步的，所以该误差一般都很小，最大不超过200nS，而且不会积累。同时为了提高解码精度并容错，装置采用了250nS的信号作为解码元，并在解码脉冲宽度上考虑了一定的容错。例如对11uS的基准帧头信号，实际解码宽度为10.75uS，并可根据实际情况作一定的微调，例如，如果需要，对11uS的基准帧头信号，实际解码宽度也可调整为10.5uS。

此外还有一点，即不能用20mS基准信号清零的方式来同步100mS与1S这两个时钟分频器，因为这将使得这两个分频器永远没有输出。但考虑到100mS与1S这两个时钟信号主要是作参考用，它们是通过20mS时钟分频得到的，而20mS时钟本身又是严格同步的，所以实际上各个子站之间这两个信号的差别并不大，不会影响系统的正常工作。

除了晶振频差的影响，各个子录波器分频电路初始工作时刻不同也将带来同步误差。例如，由于投入工作有先后，先开始10KHz分频计数的子录波器的采样信号可能比后开始的子录波器的采样信号要超前0—100uS。这种由分频输出相差带来的不同步，可以用初始同步机制加以解决。即所有子录波器在工作之初，必须首先通过其自身的正跳变前沿微分电路和帧基准脉宽识别电路自动侦测并捕捉第1个帧基准信号，再用该基准信号对其本地时钟的所有分频计数器进行清零后，才正式投入工作，以保证该子录波器的时钟与装置中已经工作的其它子录波器的时钟对齐，从而消除因分频输出相差带来的误差。

还需要指出的是，通过解码获得的、用以同步本地时钟的帧基准信号相对于原始的帧基准信号LST有一定滞后。由于帧基准信号的解码宽度为10.75uS，所以由解码带来的滞后也至少为10.75uS。如果直接用这样的信号去同步各子站的本地时钟，则将造成200uS子帧头时钟以及25uS微帧头时钟的前沿与20mS帧基准信号的前沿不能对齐的情况，这将使总线信号的编码与解码出现混乱。为此在帧基准信号解码电路后加入了2级固定延迟电路。目的是通过该电路的延迟，使得解码出来的帧基准信号SST相对于原始的帧基准信号LST正好滞后20mS，即1帧的时间。在这种情况下，用帧基准信号SST去同步本地时钟，不但可以使多个子站的时钟对齐，消除时钟误差，同时也可以使200uS子帧头以及25uS微帧头的前沿与帧基准信号的前沿对齐，以保证时钟与编码信号及解码信号的同步。

图3所示为帧基准信号解码与帧基准脉冲延迟电路原理图。该电路由复位电路DU30、DU31、DU32、正跳变前沿微分电路DU38、DU39、DU40、DU41、帧基准脉宽识别电路DU33、DU36、DU34、DU37、DU35以及帧基准脉冲延迟电路DU44、DU46、DU42、DU43、DU45、DU47构成。工作时，总线编码信号Cin加到DU38的输入端。当Cin发生从低到高的正跳变时，DU41将输出脉冲，使R—S触发器DU33置1，于是计数控制门DU34开通，脉宽计数器DU36开始计数。如果此后Cin持续为高且高电平宽度达到43（250nS x 43 = 10.75uS），即其宽度接近基准帧头（11uS），计数器DU36将置位并停止计数，表示刚刚解码的正脉冲即为基准帧头。否则计数器将被复位电路复位。

当解出基准帧头，计数器DU36置位并停止计数后，DU37输出1，计数控制门DU42开通，于是帧基准脉冲延迟电路开始对来自微帧解码电路（图中未画出）的25uS微帧头脉冲进行计数。经过DU44与DU46两级计数延迟，其延迟时间为8 x 100＝800个微帧头的计数，而800 x 25uS = 20mS，说明最终输出的帧基准信号SST相对于原始的帧基准信号LST正好延迟1帧的时间，即20mS，这就保证帧基准信号SST与200uS子帧头以及25uS微帧头的前沿对齐。

图4所示为帧基准信号解码与延迟信号波形图。图中B为主站帧基准信号LST的波形；C为主站帧基准信号LST的编码波形；D为DU37输出的帧基准解码波形；E为微帧头解码波形；F为经延迟后，由DU47输出的帧基准信号SST的波形。由图可见，从主站帧基准信号LST的前沿到帧基准输出信号SST的前沿延迟正好为20mS。 

图5所示为TDMOW串行总线分布录波器数据同步采样流程。采样同步脉冲来自子录波器本地时钟的10KHz分频电路。首先是上电后，子录波器开始搜寻来自总线的20mS帧基准脉冲信号。当接收到第一个20mS帧基准脉冲信号时，就意味着本地时钟已被帧基准脉冲信号清零并开始进入同步工作状态。这时本地时钟输出的10KHz采样时钟信号也应与装置中其它子录波器的采样脉冲同步。该脉冲信号经过脉宽及延迟处理后，再加载到子录波器的前端采样电路上。DSP则在接收到第1个20mS帧基准脉冲信号的时候开放INT0中断，开始接收ADC发来的转换就绪信号并进入正常工作程序。此后采样脉冲将定时同步触发子录波器的模数转换及数字锁存电路，DSP也将定时读取转换与锁存数据，从而保证了装置中各子录波器所有模拟与数字通道采样的严格同步。

图6所示为TDMOW串行总线分布录波器数据同步传输流程。同步脉冲来自子录波器本地时钟的20mS分频电路。经过脉宽及延迟处理后，再加载到子录波器DSP的中断引脚上。当系统上电，接收到帧基准脉冲后，就意味着本地时钟已与系统时钟同步。这时DSP开放中断，开始接收20mS数据同步传输信号。工作时，各个子录波器在10KHz采样脉冲的触发下定时同步采样。每经过20mS，完成200次采样后， DSP将收到同步传输信号送来的请求传数中断。于是DSP响应中断，将此前20mS各通道的采集数据与计算数据传送给ARM。这样就保证了各个独立的子录波器各自的数据流在数据传输上的分段同步。

参见图7、图8、图9。为了实现并行同步计算，TDMOW串行总线分布录波装置的子录波器上设计了一对I/O口，其中一个EGPIO7用于输出计算控制位，另一个COL5用来接收计算状态位。在每个20mS时钟的前沿，装置中所有子录波器各自计算控制位的状态将被锁存，然后经编码后同时发送到总线上，在TDMOW总线上经过“线或”运算，合成后的状态位波形再输回到各个子录波器，经过解码，被锁存到子录波器各自的计算状态位锁存器中，最后由ARM读取。

工作时，各个子录波器将根据计算状态位的状态以及自身工作情况确定是否开始计算。只要子录波器处于计算中，则计算控制位输出1，否则计算控制位输出0。同时，子录波器在进入计算之前需要检测计算状态位。如果计算状态位为0，则表示没有其它子录波器处于计算中，本子录波器可以发起新的一轮计算。而如果计算状态位为1，则表示目前系统中尚有子录波器处于计算中，不能发起新的一轮计算，需要等待。由于所有子录波器的计算控制位的编码输出在总线上是按“或”的方式合成的，所以只要有一个子录波发起计算，其计算控制位输出为1，则总线合成电平Cin输出为高，这将使计算状态位置1。而由于计算过程中计算控制位始终为1，所以只要还有子录波器未完成计算，计算状态位就始终为1。这时即使有的子录波器已完成计算，但检测到计算状态位为1，也不能发起新的一轮计算，必须等待。只有当所有子录波器都完成了本轮计算，最后一个完成的子录波器将其计算控制位置0后，在紧跟其后的下一个数据帧中，计算状态位被置0，才能开始新的一轮计算。

同步计算控制工作过程如下：首先假定装置中所有子录波器各自已缓存超过100mS的待分析采样数据，且目前均处在非计算状态，其计算控制位为0。在20mS数据帧的前沿，所有子录波器的计算控制位被锁存。接下来在第一个子数据帧中，计算控制位的合成编码使计算状态位置0。当各子录波器的ARM检测到计算状态位为0，即表明装置中所有子录波器目前均处于计算空闲状态，因此可以发起新的一轮计算。于是各子录波器便立即从各自缓存的数据流中截取100mS长度的数据，起动计算和分析，同时将自身的计算控制位置1，以便通知其它的子录波器自己已经开始了新的一轮计算。在下一个20mS数据帧的前沿，所有子录波器的计算控制位再次被锁存。在此后的第一个子数据帧中，计算控制位的合成编码将使计算状态位置1，表明系统正在计算中。计算完成后，ARM将自身的计算控制位置0以通知其它子录波器自己已完成计算，正在等待。而当系统中所有子录波器均已完成计算，所有的计算控制位都被置0，则在紧邻的下一个20mS数据帧的第一个子数据帧中，同步计算状态位将再次被置0。各子录波器的ARM检测到同步计算状态位为0，如果此时子录波器缓存中有超过100mS的待分析采样数据，则ARM将再次从其缓存的数据流中截取新的100mS长度的数据，起动计算和分析；而如果这时缓存数据不足100mS长度，ARM将等待，暂时不发起新的计算。

从上面的分析可以看出，由于有同步计算控制位与同步计算状态位的配合使用，虽然各个子录波器对各自100mS长度数据计算的耗时不同，计算的微观进程未严格同步，但无论快慢，各子录波器在计算完各自当前数据段后都将等待，直到所有子录波器都完成计算，才在新的20mS中开始新的一轮计算，这样就保证了各个子录波器对数据的分析计算是按100mS长度的数据分段同步的。

我们再来分析一个TDMOW串行总线分布录波器实现同步计算的典型实例。参考图7。设有0号、1号和N号子录波器并行工作，数据队列里有堆积（有等于或超过100mS长度的数据）且在时刻F0之前，各子录波器均处于等待状态，其各自的计算控制位为0。

⑴在时刻F0，20mS数据帧FRM0到来时，各个子录波器的计算控制位被锁存。在之后的第一个子数据帧中，其按“或”的方式合成的计算状态位被ARM读取。当ARM检查到计算状态位为0且数据队列有堆积，于是便开始计算，同时将各自的计算控制位置1。

⑵到时刻F1，20mS数据帧FRM1到来时，各个子录波器的ARM将在第一个子数据帧中检测到计算状态位由0变1。需要注意的是，虽然各个子录波器在FRM0期间先后发起计算并将各自的计算控制位置1，但只有等到FRM1的第一个子数据帧结束的时刻（F1以后的200uS时刻），所有计算控制位编码按“或”合成的新的计算状态位才被ARM读取。这样就保证了虽然在FRM0期间各个子录波器发起计算有先有后，致使各自的计算控制位被置1的时间不一，但只要是在FRM0期间完成的，都不会影响到F1到来时计算状态位的合成运算结果。也就是说，各个子录波器可以在FRM0的20mS之内先后可靠地投入计算。

⑶各个子录波器在时刻F1到时刻F2之间的20mS内（FRM1期间）先后结束计算并将各自的计算控制位置0。在此期间各个子录波器不会发起新的计算。

⑷在时刻F2以后，FRM2的第一个子数据帧结束时，ARM将再次检测到计算状态位为0。假设这时数据还有堆积，于是各个子录波器将开始新的一轮计算并将各自的计算控制位置1。在时刻F3以后，FRM3的第一个子数据帧结束时，ARM将再次检测到计算状态位为1。

⑸各个子录波器在时刻F4到时刻F6之间先后结束计算。当最后一个结束计算的子录波器（此次为N号子录波器）将其自身的计算控制位置0后，在时刻F6，FRM6的第一个子数据帧结束时，ARM将又一次检测到计算状态位为0。该状态并在整个FRM6期间保持为0。假设这时数据仍有堆积，各个子录波器将再开始新的一轮计算并将各自的计算控制位置1。

⑹在时刻F7，FRM7的第一个子数据帧结束时，计算状态位又一次由0变1。接下来在FRM7期间各个子录波器先后结束计算并将各自的计算控制位置0。 

⑺在时刻F8，FRM8的第一个子数据帧结束时，各个子录波器再一次检查到计算状态位由1变0。但假设这时数据无堆积，于是各个子录波器不发起新的计算，而是等待。

⑻此后直到时刻F12，FRM12的第一个子数据帧结束时，各个子录波器检查到计算状态位仍然为0，即所有的子录波器均在等待中，而这时各个子录波器的数据队列中又都已有了新的100mS的数据，于是各个子录波器在FRM12期间先后发起新一轮计算，并将各自的计算控制位置1。 

⑼在时刻F13 ，FRM13的第一个子数据帧结束时，计算状态位又一次由0变1。设各个子录波器在FRM13期间先后结束计算，并将各自的计算控制位置0。

⑽在时刻F14，FRM14的第一个子数据帧结束时，计算状态位由1变0。各个子录波器可以发起新一轮的计算，但由于此时数据无堆积，于是各个子录波器不发起新的计算，而是进入新的等待。

需要说明的是，上面所提到的100mS长度的当前分析数据并不是当前采样数据，而是距当前采样N x 100mS以前的数据。这里N表示以100mS为长度单位计算的当前分析数据段滞后于刚结束的100mS采样数据段的段数。这表明，录波器系统是一个滞后处理（ post processing）的实时系统，其当前分析数据总是滞后当前实时采样数据一定的时间，一般为100mS至300mS左右。这就使得系统发现异常、发起录波的时间相对于异常事件出现本身有一定的时间滞后。但由于录波文件完整记录了异常事件前后的各种数据，且记录数据及发起录波的绝对时间都有精确的标记，所以系统的这种后处理方式并不影响装置对异常数据或事件的响应、记录和分析。

参见图8。DSP传送给ARM的数据将以20mS一组、5组（100mS）一段的方式按时间顺序缓存在ARM的双环形缓冲存储器中，称为数据队列。在工作过程中，ARM将每次从数据队列中顺序取出100mS的数据用于计算，从而使未用于计算的数据队列的长度相应减少。在正常情况下，由于系统采样是同步的，且每20mS的采样数据也总是在20mS脉冲的前沿由DSP同步传输给ARM，即传输是同步的，再加上其后的计算也是同步的，所以对各个子录波器而言，存放在其ARM缓存器中的未用于计算的数据队列的长度应是相同的。该长度一般小于等于5个20mS数据组（一个100mS数据段）。而当系统大量忙于磁盘或网络操作，造成同步计算被耽搁时，数据队列会出现堆积。但即使这样，各个子录波器中所堆积的数据队列的长度仍然是相同的。这一特点称为队列同步。队列同步是TDMOW串行总线分布录波装置实现数据同步的基本保证之一。

一般而言，数据队列的同步是由采样同步、传输同步以及计算同步共同保证的，因此并不需要有其它特殊的措施来保障。但有几种情况需要考虑。一是系统上电之初，各子录波器因初始化不同或速度不一而投入正常工作有先有后，这时各子录波器虽然可以通过搜寻初始帧基准脉冲实现时钟同步，从而保证从一开始投入工作其数据采样和数据传输就是同步的，但先、后投入工作的子录波器之间缓存的数据队列的长度则仍然有可能不同。如果此时进入同步计算，各个子录波器所截取的100mS计算数据可能并不同步。另一类情况是在系统正常工作过程中，某一子录波器因故障或其它原因造成失步，然后在修正错误后准备重新进入同步；或者是子录波器因故退出系统，然后重新起动再投入系统工作。这时重新进入同步或重新投入系统工作的子录波器缓存的数据队列也可能与其它子录波器不同。

为了保证在任何情况下，后投入的子录波器的数据队列都能自动与先投入的子录波器的数据队列同步，系统特别设置了两个用于队列同步的I/O口，其中一个EGPIO6用于输出队列同步控制位，另一个EGPIO9用来接收队列同步状态位。工作时，只有主站的队列同步控制位将根据自身100mS时钟以及数据堆积的情况确定是置1（当前数据帧的前沿正好是主站100mS时钟的前沿并且主站数据无堆积）或者置0（当前数据帧的前沿不是主站100mS时钟的前沿或者主站数据有堆积），而其它所有从站的队列同步控制位则将固定置0。工作时，队列同步控制位的状态将在每个20mS数据帧的前沿被锁存，然后经过编码，加载到TDMOW串行总线上，最后由各个子录波器接收、解码，并锁存到各自的队列同步状态位中，由ARM读取。

队列同步的简单工作原理如下。首先，当子录波器完成初始化并检测到帧基准脉冲后，即已实现时钟同步，这时应将自身数据队列的起始指针拨回到0位，并进入到了待机状态。进入待机状态后，子录波器将在每个20mS同步脉冲到来时检查队列同步状态位的状态。如果队列同步状态位为0，则表示当前20mS同步脉冲的前沿不是主站100mS时钟的前沿或者此刻主站子录波器的数据队列有堆积，从站子录波器不能在此刻并入同步，需要继续待机；而如果队列同步状态位为1，则表示当前20mS同步脉冲的前沿正好是主站100mS时钟的前沿且此刻主站子录波器数据队列无堆积，这时从站子录波器可以立即并入数据同步。于是从站子录波器将立即设置软件同步标记，并激活队列计数指针，进入到队列同步状态。

工作过程中，所有子录波器将在每一个20mS数据帧的第一个子数据帧结束时读取计算状态位。如果计算状态位为0且自身的缓存器中已有累计超过100mS但少于200mS的待分析数据，则ARM将从数据队列中截取100mS数据，然后开始计算。此时剩余队列长度小于100mS（无堆积），主站子录波器将队列同步控制位为1。如果缓存器中已有累计超过200mS的待分析数据，则ARM从数据队列中截取100mS数据用于计算后，剩余队列长度仍等于或大于100mS，表明数据有堆积，此时主站子录波器立即将队列同步位置0，告诉其它尚未进入同步的子录波器当前数据有堆积，不能并入同步，需要继续待机。

总结上述过程可以看出，子录波器要进入数据同步，必须在每个20mS数据帧中检查队列同步状态。这时要么队列同步状态为0，表示当前20mS同步脉冲的前沿不是主站100mS时钟的前沿或者系统中已正常工作的子录波器的数据队列有堆积，待机子录波器不能进入同步，需要继续待机；要么队列同步状态为1，表示当前20mS同步脉冲的前沿正好是主站100mS时钟的前沿且系统中已正常工作的子录波器的数据队列为空（无堆积），待机子录波器可立即进入同步。而对于已进入到队列同步状态的子录波器，如果检测到系统的队列同步状态位为1，即系统主站子录波器数据队列无堆积，而本机数据指针不在零，表明本机出现失步。此时应立即记录错误信息作容错处理，然后将数据指针拨回零，重新进入同步。

参见图9。为了在TDMOW串行总线分布录波装置中实现同步录波，特别在子录波器上设计了3组共6个I/O口，分别用于输出录波控制位EGPIO3、录值控制位EGPIO4与定值控制位ROW7，并接收录波状态位COL7、录值状态位COL6与定值状态位COL4。工作时，录波控制位、录值控制位与定值控制位的状态将在每个20mS数据帧的前沿被锁存，然后分别经过编码，加载到TDMOW串行总线上。各个子录波器所加载的编码信号经过“线或”运算合成后，所得到的录波状态、录值状态和定值状态的合成波形最后由各个子录波器接收、解码，并分别锁存到各自的录波、录值与定值状态位锁存器中，由ARM读取。录波、录值与定值这3种不同的状态位可以用来区别不同的录波阶段或录波请求。其中录波位置1表示要求记录实时波形数据；录值位置1则表示要求记录数据的有效值；而定值位则用以区分不同的起动类型。系统实现同步录波的过程可描述如下：

系统中所有子录波器并行工作，按分段同步的方式对各自的采样数据进行计算、分析。而在对自身的100mS长度的数据进行分析时，如发现异常，该子录波器将立即将自身的录波控制位置1，请求录波。由于所有子录波器的录波控制位具有“或”的关系，所以装置中只要有任意一个子录波器将录波控制位置1，则在下一个20mS数据帧的第一个子数据帧中，对应的录波状态位将置1。而当ARM读取到录波状态位为1时，便知道系统有录波请求，于是立即起动录波，并按要求将相关数据段的数据存入自身的CF卡中。由于系统中各个子录波器均是在20mS数据帧的第一个子数据帧结束时对录波状态位进行采样，所以只要系统中有一个子录波器发起录波（将录波控制位置1），则录波状态位就在下一个20mS数据帧的第一个子数据帧中被置1，于是所有的子录波器均会在这一时刻起动录波。当系统按要求录完故障前后的波形数据后，发起录波的子录波器将自身的录波控制位置0，录值控制位置1。于是装置的录波状态位将置0，录值状态位将置1。这意味着结束波形录制，转而开始录制有效值。而当按要求录完有效值，发起录波的子录波器将自身的录值控制位置0，这将使各个子录波器的录值状态位置0，于是整个录波结束。显然，由于有录波控制位与录波状态位以及录值控制位与录值状态位的配合使用，装置中各个分布、独立与并行的子录波器实现了相关录波与同步录波。

需要指出的是，如果在对同一个100mS时间段数据进行分析时有两个以上的子录波器分别发现各自的数据有异常，并先、后发出录波请求，则多个录波请求将被自动合并为一个录波请求。在这种情况下，由于对同一100mS时间段数据进行分析时各个子录波器计算速度不一，有可能使得后发出录波请求的子录波器其所发现的数据异常在时间顺序上实际先于先发出录波请求的子录波器所发现的数据异常。但这并不影响录波结果。同时今后在对录波数据进行离线综合分析时，系统会自动将先发生的异常标记为发起录波的精确时刻。

此外，为了区分定值、突变、振荡等不同启动类型，系统还特别配置了一组I/O口，分别用以输出定值控制位以及接收定值状态位。ARM通过定值控制位与定值状态位，配合录波控制位与录波状态位以及录值控制位与录值状态位的使用，获得不同的状态位编码，从而使得各个子录波器可以通过3种状态位的不同编码来识别系统更多不同的录波要求。

对录波器而言，除了要做到数据同步，还要求所记录的数据要有精确的时间标记，一般要求至少要精确到毫秒以下。所谓时间标记，就是要标明录波数据中每个采样点的绝对时间。但在一般情况下，由于录波数据是按采样点的时间先后顺序存放的，而每个采样点之间的时间间隔又是固定的，所以要标记时间，也可以不对每个采样点进行标记，而是只对录波数据中的一些关键点进行标记即可。例如，只对每组或每段数据的起点进行标记，而在每两个相邻标记点之间的采样点的绝对时间则可以通过采样点数来推祘；或者只对系统故障或异常事件发生的绝对时间进行标记，然后以此为参考点来确定录波文件中其它采样点的绝对时间。

本装置采用分脉冲配合高速计数器的精确标记方法，即在校时分脉冲出现时中断子录波器的ARM、DSP和高速计数器。然后ARM读取日历时钟的绝对时间，例如XX年XX月XX日XX分0秒0毫秒，该绝对时间即为标记时间。而此时DSP也将记录下紧邻该时刻之后第一个采样点的编号，例如64，则表明该组采样数据中第64个采样点即为标记点。同时ARM还读取高速计数器记录的从20mS时钟脉冲的前沿到校时分脉冲前沿的微秒计数，例如6358微秒。这就是说，标记脉冲出现在该组采样数据中第63个采样点之后的58微秒，或者是第64个采样点之前的42uS，42uS即为偏差值（设采样周期为100uS，64x100－6358＝42uS）。于是得出结论，即该组采样数据中的第64个采样点的绝对时间是XX年XX月XX日XX分0秒0毫秒42微秒，标记误差为1uS。

对于TDMOW串行总线分布录波装置而言，时间标记问题比上述过程要复杂得多。因为在这样的装置中，需要标记的数据分布在各个子录波器中，因此要求系统中各个子录波器都要进行时间标记。这就意味着不但要求时间标记本身要精确，而且还要求各个子录波器的时间标记要同步。为了解决同步问题，系统采用了统一的校时时钟（主站的内置日历时钟或外挂GPS同步时钟）；而为了让所有的从站都能通过总线接收到主站发出的校时分脉冲信号，特别在每一个总线编码的微数据帧中加入了校时标记段。装置中所有子录波器通过总线接收数据帧信息，然后通过解码，可以获得精确的同步校时脉冲。

如图10所示，系统校时与标记脉冲控制电路烧制在各个子录波器的isp中。图中M41ST95为高精度日历时钟芯片，通过软件设置后，该芯片可通过其26脚定时输出分脉冲。工作时，由GPS同步时钟送来的外部分校时脉冲以及来自日历时钟芯片26脚的内部分校时脉冲被分别引至ISP中。工作过程中，子录波器ARM通过INT0中断脚实时侦测系统中是否接入GPS校时脉冲。如果有GPS校时脉冲，ARM则通过I/O口COL3输出0电平，从而接通与门0U33，同时关断与门0U34。于是GPS校时脉冲通过与门0U33、或门0U35送到双向缓冲门0U36的输入端A。而如果ARM没有侦测到GPS校时脉冲，或侦测到原来存在GPS校时脉冲，但该脉冲又因故消失，则通过COL3输出1电平，从而关断与门0U33，同时接通与门0U34。于是日历时钟校时分脉冲通过与门0U34、或门0U35送到双向缓冲门0U36的输入端A。双向缓冲门0U36受或非门0U31输出的控制。正常工作情况下，ARM通过ROW2脚输出看门狗脉冲，因此计数器0U37被周期性清零，其输出CAO保持低电平。另一方面，主站子录波器（例如图10中的0号子录波器）通过ROW0脚将主从控制信号置为1电平，所以或非门0U31输出1，从而打开双向缓冲门0U36及校时脉冲输出三态门0U65，同时关断输入三态门0U64。而其它从站子录波器（例如图10中的N号子录波器）ROW0脚输出0电平，对应的或非门0U31输出0，所以其各自的双向缓冲门0U36均为高阻态，校时脉冲输入三态门0U64导通，输出三态门0U65关断。在这种情况下，无论送到A端的是外部（GPS）校时脉冲，或者是内部（日历时钟）校时脉冲，对从站而言，由于0U36阻断，所以该脉冲将不起作用；而对主站而言，由于0U36开通，则该脉冲将通过0U36的Z端送到主站ARM I/O口的EGPIO14脚和DSP的BIO引脚上，用于中断主站ARM及DSP，同时该脉冲还经过0U36的XB端，三态门0U65，送到校时脉冲延迟电路的输入端（即RS触发器CU01的R端）。该脉冲经过延迟、编码输出，再由各个从站子录波器通过总接收、解码，最后得到的延迟后的分脉冲，经各个从站子录波器各自的校时脉冲输入三态门0U64，到0U36的XB端，再到0U36的Z端，并最终送到各个从站子录波器ARM I/O口的EGPIO14脚和DSP的BIO引脚上，用于中断从站ARM及DSP。

当主站（例如0#子录波器）因故停止工作时，其ROW2脚不再输出看门狗脉冲。由0U23—0U26组成的脉冲前沿微分电路的输出（0U26的输出）将固定为低电平。因此计数器0U37不再清零，经过一定的时间延迟（4秒钟），其输出CAO将由低变高。或非门0U31输出变低，从而关断双向缓冲门0U36及校时脉冲输出三态门0U65，并接通校时脉冲输入三态门0U64。此后系统中其它子录波器将不再定时收到校时脉冲。经过一定的延时（4分钟），系统中下一个槽号较小的子录波器（例如1号子录波器）发现主站（0号子录波器）有异常，将通过ROW0脚输出高电平，接通自身的双向缓冲门0U36及校时脉冲输出三态门0U65，同时关断校时脉冲输入三态门0U64。从而自动接替原来的主站（0号子录波器）向系统提供校时与标记脉冲，成为新的主站。简单地说，即系统可自动识别信号。如果有外时钟（GPS）校时脉冲，就使用外时钟脉冲。如果没有外时钟校时脉冲，就使用内时钟校时脉冲。而无论使用外部脉冲或内部脉冲，校时信号均由装置中的主站子录波器提供，其它从站子录波器则通过串行总线获得校时脉冲。而如果主站子录波器因故不能提供脉冲，则下一个槽号较小的从站子录波器会自动接替原来的主站，成为新的主站向其它从站子录波器提供校时与标记脉冲，从而保证系统始终具有统一的校时信号。

对基于串行总线的分布录波装置而言，由于主机分脉冲与总线上传输的信号帧并不同步，所以当校时分出现后，只能在下一个微数据帧中的校时标记位（第14uS—17uS）才能被标记，然后通过串行总线传送给其它从站子录波器，所以这里就出现了一个0—25uS的延迟，参考图12。接下来从站子录波器从总线接收该延迟编码信号，然后解码，又会产生固定的24uS的解码延迟。因此从站子录波器最终还原的分脉冲相对主机产生的原始分脉冲存在24—49uS的时间滞后。虽然这不会影响校时的精度，但却有可能造成主站标记结果与从站标记结果不一致的情况，主站记录值比从站记录值少24—49uS，而主站标记的结果才是正确的。所以为了保证标记正确、一致，在TDMOW串行总线分布录波装置中，各个从站子录波器应统一使用主站标记结果，而其自身的标记值则只作参考。为此主站子录波器在通过RS485网向从站子录波器广播绝对日历时间的同时，应将自己记录的绝对标记时间以及标记点和偏差值发送给所有从站子录波器，作为时间标记的基准。 

校时分脉冲延迟电路工作原理及信号延迟过程可以用图11与图12来加以说明。平常工作时，延迟电路中RS触发器CU01的输出为1（参考图12中B点波形），D触发器CU02、CU03输出也为1（参考图12中C点及D点波形），反向门CU04输出为0（参考图12中F点波形），所以与门CU05输出为0（参考图12中E点波形），总线上没有校时分脉冲编码信号。而当主站子录波器整分校时信号到来时，该信号一方面通过0U36中断其自身的ARM与DSP，同时还将通过0U65送达延迟电路中RS触发器CU01的R端（参考图12中A点波形），从而使CU01输出由1变0（B点）。在紧随其后的第一个25uS微数据帧（图12中第MFRn帧）的前沿，D触发器CU02的Q端（C点）将由1变0；于是反向门CU04输出由0变1（F点）。由于此时D触发器CU03输出仍然为1（D点），所以与门CU05输出将由0变1（E点）。同时CU04输出由0到1的跳变将使RS触发器CU01的输出重新置1（B点）。当下一个25uS微数据帧（图12中第MFR（n+1）帧）的前沿到来时，D触发器CU02的Q端（C点）将由0变1，于是反向门CU04输出由1变0（F点），触发器CU03输出将由1变0（D点），于是与门CU05输出由1变0（E点）。再下一个25uS微数据帧（图12中第MFR（n+2）帧）的前沿到来时，D触发器CU02的Q端（C点）保持为1，反向门CU04输出保持为0（F点），触发器CU03输出将由0变1（D点），与门CU05输出保持为0（E点）。很显然，由于分校时脉冲的到来，在其后的第一个25uS微数据帧（图12中第MFRn帧）期间，校时编码信号C1m（E点）将为高，从而在总线的编码信号上加载校时分脉冲标记（参考图12中Cout波形）。此时各个子录波器通过总线接收带有分校时标记的编码信号并进行解码，最后得到校时分脉冲S1m（参考图12中Cin及S1m波形）。

从图12可以看出，经过延迟后的分校时脉冲（即编码分校时脉冲）C1m较原始分校时脉冲L1m的延迟在0—25uS之间，是随机的、不确定的。而解码得到的校时分脉冲S1m相对编码校时分脉冲C1m的延迟则固定为24uS。这就是说，从站子录波器所使用的校时分脉冲S1m较主站子录波器所使用的原始校时分脉冲L1m滞后24—49uS。而正是由于存在这样的滞后，在TDMOW串行总线分布录波装置中，只有主站子录波器的数据标记才是精确的，而其它所有从站子录波器的标记数据只能作参考。

串行分布录波装置可以在一个相对较小的地域内（例如同一变电站的不同小室）分布安装，所以具有一定的地域分布性；同时它也属于典型的功能分布系统。由于在这样的系统中，多个子录波器各自都配备有自己的日历时钟，故障或事件发生时，各个子录波器将同时录波，并分别对各自的采样数据进行标记。如果在对各个子录波器进行初始校时后不再校时，而是仅以其各自的日历时钟走时为准，则按照24小时相差1秒的精度来计祘，就意味着每走时1分钟，各个子录波器的时间在理论上将相差694微秒。在采样频率为10KHz的系统中，这就差不多是7个采样点的误差。而如果是在初始校时一个小时后发生录波，则各个子录波器时钟的差值将达到41.7毫秒，也就是417个采样点。这显然是不能允许的。所以为了保证时间标记的一致，在分布集成录波装置中必须进行严格的在线统一校时。

系统校时过程如下。首先，如果系统接入有GPS授时，则主站子录波器将通过自身的RS232串口接收GPS授时，并以GPS绝对时间作为系统的标准时间。而如果没有GPS授时，则主站子录波器将以自身日历时钟时间作为系统标准时间。正常工作过程中，无论以何种时间作为标准，主站子录波器总会在一分钟的时间间隔内，通过RS485网，向装置中其它所有从站子录波器重复发送当前的标准日历时间以及主站的标记数据。当分校时脉冲到来时，各个从站子录波器响应分校时脉冲中断，即开始校时。先是将通过RS485网接收到的标准日历时间的分钟数加1，然后写回到本机的日历时钟芯片中，同时将自身日历时钟的秒及毫秒位置0。从而完成一次校时。为了避免分钟数加1后产生进位带来计算上的麻烦，一般当收到的标准日历时间的分钟数为59分时，可跳过分脉冲，暂不校时，而等到再下一个分脉冲才重新恢复校时。

如果系统中主站子录波器因故停止工作，下一个槽号较小的子录波器将自动替代原来主站的工作。这时新的主站子录波器将通过RS232接收授时，并通过RS485网向装置中所有其它从站子录波器发送系统标准日历时间及标记数据。

值得注意的是，在TDMOW串行总线分布录波装置的校时过程中，从站接收到的校时分信号S1m与主站接收到的校时分信号L1m并不同步，而是慢了24uS—49uS不等，因此理论上讲其校时时刻也存在几十微秒的差。但由于该误差远小于应用要求（1mS），所以不会影响校时精度。

Claims (3)

1.一种基于TDMOW串行总线的分布录波器同步方法，其特征在于：多个子录波器通过TDMOW串行总线连接起来构成分布录波装置，装置中所有子录波器均设置有同步时钟、总线数据接口电路与校时信号控制电路；同步时钟电路包含本地时钟和基准时钟，总线数据接口电路包含接口驱动电路、微帧数据分时控制切换电路、串行编码电路和串行解码电路，校时信号控制电路包含校时分脉冲自动切换电路和校时分脉冲延迟电路； 

装置中所有子录波器均为从站，而编号最小的子录波器在作为从站的同时将自动成为主站，主站通过向总线发送帧基准编码信号来同步其它所有子站的时钟；所述本地时钟包含若干同源、同步、不同频率的脉冲信号输出，所述基准时钟包含20ms帧基准信号；主站将帧基准编码信号发送到总线上，所有子站通过总线同步接收该信号，经过解码，同步延迟，获得帧同步脉冲信号；该信号将直接连接到子录波器本地时钟系统的外同步信号输入端，用以同步本地时钟，从而保证所有连接到总线上的子录波器的本地时钟与主站的本地时钟同步； 

主站还通过总线发送帧头编码信号及校时分脉冲编码信号，同时所有子站均通过总线发送编码数据，总线上的信息按帧编码，按帧传输；工作时，各个子录波器首先通过I/O口输出同步控制信号，并在20mS帧基准时钟前沿将信号锁存，这些被锁存的信号称作控制位，然后对控制位进行编码，之后装置中所有子录波器在各自时钟的同步下将数据帧编码信号按时分切换的方式同时、依次将各自的控制位编码数据发送到总线上，在TDMOW总线上经过“线或”运算来合成状态位编码；同时各个子录波器接收编码，经过解码，得到各种同步状态位，再由微处理器ARM读取，从而实现装置中多个子录波器控制数据的传输与共享；校时分脉冲自动切换电路能同时接收来自外部GPS以及本机日历时钟芯片(M41ST95)的校时分脉冲编码信号，并自动选择其中一种作为系统校时分脉冲；系统的绝对授时来自GPS或日历时钟，也由装置自动选择其中一种作为系统绝对授时基准；校时及标记的实现过程如下：在主站发送到总线的每个微帧中都包含有校时分脉冲标记段，平常该段标记为0，当系统校时分脉冲到来时，一方面主站将立即进行数据标记和同步校时，同时校时分脉冲延迟电路自动将该脉冲信号延迟至下一个微帧时间，以使该微帧中校时分脉冲标记段被标记为1，从站通过总线接收数据帧信息，经过解码，获得校时分脉冲信号，然后进行数据标记和同步校时；主站在通过RS485网将系统绝对日历时间发送给所有从站的同时，还将自己记录的绝对标记时间以及标记点和偏差值发送给所有从站，作为数据时间标记的基准。 

2.如权利要求1所述的同步方法，其特征在于：所述若干同源、同步、不同频率的脉冲信号来自同一个4M晶振源及相关级联分频电路，包括4MHz或250nS、1MHz或1uS、40KHz或25uS、10KHz或100uS、5KHz或200uS、50Hz或20mS、10Hz或100mS、1Hz 或1S八种不同频率或周期的脉冲信号输出以及一路由基准时钟电路输出的20mS帧基准信号(LST)；在这些信号中，250nS、1uS、25uS、200uS及20mS五路信号在经过脉宽整形电路与延迟电路处理后，将用作数据编码、解码以及微帧切换的同步控制信号，其中200uS、25uS、1uS及20mS基准时钟将用作编码电路同步信号，25uS、1uS及250nS时钟将用作解码电路同步信号，20mS、200uS及25uS时钟将用作微帧数据时分控制切换电路同步信号；而1MHz、10KHz、20mS、100mS以及1S五路脉冲在经过另一组脉宽整形电路以及延迟电路处理后，被送到子录波器的采样电路以及数字信号处理器DSP与微处理器ARM的中断输入引脚，其中1MHz信号用作ADC转换时钟，10KHz信号主要用作数据锁存与采样同步信号，20mS脉冲用作数字信号处理器DSP到微处理器ARM的数据传输同步信号以及计算分段同步信号，100mS时钟用作计算同步与队列同步的参考信号，1S时钟用作时钟同步参考信号。 

3.如权利要求1所述的同步方法，其特征在于：所述同步方法中，采样同步的具体方式是：采样同步脉冲来自子录波器本地时钟的10KHz分频电路，该脉冲经过脉宽及延迟处理后，加载到子录波器模数转换与数字锁存电路的同步触发端上，而模数转换就绪信号则连接到DSP的中断引脚上；上电后，子录波器搜寻来自总线的帧基准信号，当接收到第一个帧基准信号时，本地时钟分频系统被清零，然后开始同步分频计数，同时DSP立即开放INT0中断，开始进入正常工作程序并准备接收ADC发来的转换就绪信号，此后主站帧基准信号将定时同步所有子站的本地时钟，而所有子站则将在本地10KHz采样时钟的同步下，定时同步触发子录波器的模数转换及数字锁存电路，然后由DSP读取采样数据，从而保证装置中各个子录波器的所有模拟与数字通道采样的严格同步； 

所述同步方法中，传输同步的具体方式是：传输同步脉冲来自子录波器本地时钟的20mS分频电路，该脉冲经过脉宽及延迟处理后，加载到子录波器DSP的中断引脚上，上电后，子录波器搜寻来自总线的帧基准信号，当接收到第一个帧基准信号时，本地时钟分频系统被清零，然后开始同步分频计数，同时DSP将开放中断，开始接收20mS数据同步传输信号；此后主站帧基准信号将定时同步所有子站的本地时钟，各个子录波器在10KHz采样脉冲的触发下定时同步采样；每经过20mS，完成200次采样后，DSP将收到同步传输信号送来的请求传输中断，DSP响应中断，将此前20mS各通道的采集数据与计算数据传送给ARM，从而保证各个独立的子录波器各自的数据流在数据传输上的分段同步； 

所述同步方法中，计算同步的具体方式是：在各个子录波器上设置了1组I/O口用于计算同步，包括输出计算控制位(EGPIO7)，接收计算状态位(COL5)；在每个20mS时钟的前沿，装置中所有子录波器各自计算控制位的状态将被锁存，然后经编码后同时发送到总线上，在TDMOW总线上经过“线或”运算，合成后的状态位编码再输回到各个子录波器，经过解码，最后被锁存到各个子录波器的计算状态位锁存器中，再由ARM读取；工作时，每当子录波器发起计算，应将计算控制位置1，而每当子录波器结束计算，则应将计算控制位置0；子录波器在进入计算之前先检测计算状态位，如果计算状态位为0，表示没有其它子录波器处于计算中，本子录波器可以发起新的一轮计算，而如果计算状态位为1，即总线合成电平(Cin)输出为高，则表示目前系统中尚有子录波器处于计算中，不能发起新的一轮计算，需要等待；当所有子录波器都完成了本轮计算，其中最后一个完成的子录波器将其计算控制位置0后，总线合成电平(Cin)输出变低，在紧随其后的下一个数据帧中，各个子录波器将检测到计算状态位置0，才可开始新的一轮计算，从而保证了装置中所有子录波器在数据计算上的分段同步； 

所述同步方法中，队列同步的具体方式是：在各个子录波器上设置了1组I/O口用于队列体同步控制，输出队列同步控制位(EGPIO6)，接收队列同步状态位(EGPIO9)；工作时，所有从站都将队列同步控制位固定置0，而主站平时也将队列同步控制位置0，但在每个100mS时钟的前沿，主站将检查自身的数据队列，如果这时数据队列无堆积，主站则将其队列同步控制位置1，以通知装置中其它所有子录波器，现在能进入同步；而在数据队列有堆积或非100mS时钟前沿开始的数据帧时间内，主站将保持同步控制位为0，以通知装置中其它所有子录波器，现在不能进入同步；而所有从站通过总线接收该信号，并解码、锁存，由ARM读取，从而获得系统队列同步状态信息； 

所述同步方法中，同步录波的具体方式是；在子录波器上设计了3组共6个I/O口用于录波、录值与定值同步控制：输出录波控制位(EGPIO3)、录值控制位(EGPIO4)与定值控制位(ROW7)；接收录波状态位(COL7)、录值状态位(COL6)与定值状态位(COL4)；录波、录值与定值这3种不同的状态位用来区别不同的录波阶段或录波请求，其中录波控制位置1表示要求记录实时波形数据；录值控制位置1表示要求记录数据的有效值；定值控制位用以区分不同的起动类型；工作时，每当有子录波器需要发起录波或录值，应分别将其自身的录波控制位或录值控制位置1，以通知装置中其它所有子录波器，立即响应同步录波或录值；而每当发起录波或录值的子录波器按要求需要结束录波或录值过程时，则应将其自身的录波控制位或录值控制位置0，以通知装置中其它所有子录波器，结束同步录波或录值过程；同步录波控制位、录值控制位与定值控制位的状态将在每个20mS数据帧的前沿被锁存，然后分别经过编码，加载到TDMOW串行总线上；各个子录波器所加载的编码信号经过“线或”运算合成后，所得到的录波状态、录值状态和定值状态的合成编码由各个子录波器接收、解码，并分别锁存到各自的录波、录值与定值状态位锁存器中，由ARM读取；然后子录波器将检查录波或录值状态位的状态，以确定是否需要响应同步录波或录值，以及是否需要结束录波或录值过程，从而实现装置中所有分布、并行工作的子录波器的同步录波。 

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