CN103368676A - 一种基于周期性脉冲信号的异地数据同步采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于周期性脉冲信号的异地数据同步采集方法及系统，该方法为中低速数据采样过程提供异地微秒级精度的时间同步，所述方法包含：步骤101)设置数据采样时钟为计数器的计数源；设置周期性脉冲信号为所述计数器的读数触发信号，同时设置该周期性脉冲为数据采集记录单元的采样过程的采样动作的触发信号；步骤102)由第一个周期性脉冲信号启动数据采样过程，同时启动所述计数器开始计数；步骤103)记录第一个周期性脉冲信号触发计数器开始计数所对应的绝对时刻t₀，并根据设定采样频率连续记录数据采集记录单元的采样数据和每个周期性脉冲信号触发计数器时的计数器的读数值序列(c₁，c₂...c_m，c_m+1...)；步骤104)对采样数据进行时间标定，完成数据采样过程的同步。

Description

一种基于周期性脉冲信号的异地数据同步采集方法及系统

技术领域

本发明属于信号采集处理领域，具体涉及一种基于周期性脉冲信号的异地数据同步采集方法及系统。

背景技术

作为一种获取信息的基本手段，数据采样是各种测试测量或者科学试验的基础。为了获取尽可能全面的信息，经常使用多传感器甚至分布式的传感器网络进行测量。为了对传感器网络获取的信息进行有效的整合，经常需要传感器进行同步数据采样。对于物理上存在联接条件的传感器组，可以通过各类时钟总线的控制进行同步采样。对于不存在物理联接可能的分布式系统，各自的时钟系统需要向一个公共时钟源的看齐。这个公共时钟源可能是由一种具有较高精度等级的时钟系统提供，比如原子钟。也可能是通过长波或者GPS信息进行对时。从成本、精度、可持续性等方面考量，使用GPS信息进行对时，都具有明显的优势。

经过滤波处理后，GPS秒脉冲可以提供足够高的脉冲时间精度。但是，每秒一次显然不能满足大多数数据采样系统对采样频率的要求，因此，对于多数高速数据采样系统来说，直接使用GPS秒脉冲，只能提供一个准确的起始时刻。在连续高速的数据采样过程中，要利用GPS秒脉冲提供的时间精度，还需要一个辅助的同步时钟单元产生机构，这个辅助单元，向数据采集系统提供采样所需要的高频时钟信号，并使用GPS秒脉冲不断修正自己的脉冲前沿位置。这是当前多数分布式异地数据采集系统所采用的同步架构，如图1所示。这种架构提供的时间精度，可以满足多数系统的需求。其不足之处在于，要求增加一个独立的时钟同步单元，而且要求采集系统可以将外部时钟接入并替代本地的采样总线时钟。这对设备条件提出了一定的要求，而且也增加了系统的复杂度和成本。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述数据采样过程中的同步问题，本发明提供了一种基于周期性脉冲信号的异地数据同步采集方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于周期性脉冲信号的异地数据同步采集方法，该方法用于为中低速数据采样过程提供异地微秒级精度的时间同步，所述方法包含：

步骤101)用于初始化的步骤，该步骤具体包含：

设置数据采集记录单元的采样时钟为计数器的计数源；设置周期性脉冲信号为所述计数器的读数触发信号，同时设置该周期性脉冲为数据采集记录单元的采样过程的采样动作的触发信号；

步骤102)由第一个周期性脉冲信号启动数据采集记录单元的数据采样过程，同时启动所述计数器开始计数；

步骤103)记录第一个周期性脉冲信号触发计数器开始计数所对应的绝对时刻t₀，并根据设定采样频率连续记录数据采集记录单元的采样数据和每个周期性脉冲信号触发计数器时的计数器的读数值序列(c₁，c₂...c_m，c_m+1...)；

步骤104)对采样数据进行时间标定，完成数据采样过程的同步，具体步骤为：

首先，假设f_s为设定的采样频率，f_c为数据采集过程的采样时钟，计数器在第1秒的计数值用c₁表示，第2秒的计数值用c₂表示，依此类推，第m秒的计数值用c_m表示，所以每个周期性脉冲信号触发计数器时的计数器的读数值组成序列(c₁，c₂...c_m，c_m+1...)，且这些读数值序列所对应的数据采样点的序列号组成递增序列n为：(n₁，n₂...n_m，n_m+1...)，该序列进一步由下式获取：

$(n_1,n_2...n_m,n_{m+1}...)=\frac{f_s}{f_c}(c_1,c_2...c_m,c_{m+1}...)+1;$

然后，从上述递增序列n中寻找n_m，使得第N个数据采样点满足：n_m≤N≤n_m+1；

最后，将上述个步骤获取的：绝对时刻t₀、m、N、n_m、f_s代入下式，得到第N个数据采样点的绝对时刻，从而实现异地分布式的数据采样同步；

T＝t₀+m+(N-n_m)/f_s。

优化的，当所述计数器发生溢出时，所述计数器能够采用若干个级联的计数器进行替换。

优化的，当所述计数器发生溢出还能够采用重新加载的计数器的策略进行处理，该策略具体为：将计数器设定为溢出后自动重新加载。

可选的，所述周期性脉冲信号为GPS秒脉冲信号。

基于上述方法本发明还提供了一种基于低频周期性脉冲信号的异地数据同步采样系统，该系统用于为中低速数据采样过程提供异地微秒级精度的时间同步，所述异地数据同步系统包含：启动模块、计数器模块、传感器模块、数据采集记录单元、数据处理单元和周期性脉冲信号接收保持模块；

所述启动模块，用于启动数据采集记录单元和计数器分别开始采样及计数；

所述计数器模块，用于记录数据采样点与周期性脉冲信号的时间位置对应关系；

所述传感器模块，用于采集相关物理量，并转换为电信号，传递给数据采集记录单元；

所述数据采集记录单元，用于记录第一个周期性脉冲信号触发计数器开始计数所对应的绝对时刻，并连续记录传感器的采样数据和每个周期性脉冲触发计数器进行计数时对应的计数器的读数；

所述周期性脉冲信号接收保持模块，用于接收或者保持周期性脉冲信号，并将该脉冲信号作为所述计数器的读数触发信号及数据采集记录单元的采样动作的触发信号；

所述数据处理单元，用于根据计数器的读数，由下式计算所述数据采集记录单元在每个数据采样点N的绝对时刻，从而实现异地分布式的数据采样同步；

T＝t₀+m+(N-n_m)/f_s

其中，t₀为第一个数据点的采样时刻；f_s为设定的采样频率；计数器的连续计数值是(c₁，c₂...c_m，c_m+1...)，这些计数值所对应的数据采样点序列号组成递增的n序列为：(n₁，n₂...n_m，n_m+1...)，且 $(n_1,n_2...n_m,n_{m+1}...)=\frac{f_s}{f_c}(c_1,c_2...c_m,c_{m+1}...)+1;$ f_c为数据采集的采样时钟，m是数据记录开始后的时间长度，单位是脉冲的周期。

上述所述数据采集记录单元进一步包含：

接收单元，用于接受传感器采集的电信号并将其按照设定的采样频率进行模数转换；和

记录存储单元，用于记录第一个周期性脉冲信号触发计数器开始计数所对应的绝对时刻，并连续记录采样传感器的采样数据和每个周期性脉冲触发计数器进行计数时对应的计数器的读数。

所述周期性脉冲信号接收保持模块用于接收或者保持低频脉冲信号。

可选的，所述启动模块采用一个逻辑开关。所述逻辑开关使用周期性脉冲信号作为打开这个逻辑开关的触发信号，即使用第一个周期性脉冲信号启动计数器和采样过程，使用第二个周期性脉冲信号触发第一次计数值读取，依此类推，完成所有计数值的读取。

综上所述，本发明的在逻辑结构上的特征如下：在数据采样模块中加装一个或者若干级联的计数器单元，用于计算任意数据采样点对应的绝对时刻，从而完成数据同步采样。实现外部低频脉冲到达时刻与数据采样时刻的对应；将数据采样模块的采样时钟设置为计数器的计数源，并将GPS秒脉冲信号(或者通过其他方式得到的低频周期性脉冲信号)作为计数器的读数触发信号，触发计数器开始计数；最后，根据计数器读数，计算数据采样过程中的每个数据采样点对应的绝对时刻，从而实现异地分布式的数据采样同步。

与现有技术相比，本发明的优势在于：数据同步采集系统的复杂度低，成本低廉，可以满足大多数中低速数据采集系统对异地同步精度的要求；且当数据采集时若同步出现故障，数据采集的主体仍然可以正常采样工作，因此具有较高的可靠性。即本发明提出了一种基于低频周期性脉冲信号和脉冲计数器的异地数据同步方法及系统，不需要使用外部时钟替代本地时钟，如果能够联接GPS信号，也不需要使用外部时钟源，可以在异地实现微秒级精度的时间同步，满足大多数中低速数据采集系统(采样频率在200kHz以下)对时间同步精度的要求。

附图说明

图1为现有技术常见的分布式异地数据采集系统的同步结构框图；

图2是本发明实施例的基于低频周期性脉冲信号(以GPS信号为例)和脉冲计数器的异地数据同步结构框图；

图3是本发明实施例提出的基于低频周期性脉冲信号和脉冲计数器的异地数据同步采集方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方案对新方法做进一步说明。

实施例

本发明实施例提供了一种基于低频周期性脉冲信号和脉冲计数器的数据异地同步采集方法，所述方法详细处理流程如下：

1、设置数据采集系统的采样时钟为计数器的计数源；

2、设置外部低频周期性脉冲信号为计数器的读数触发信号；

3、设置外部低频周期性脉冲为数据采集系统的采样动作的触发信号；

4、启动数据采样过程和计数器的计数过程；

5、第一个外部低频周期性脉冲触发系统的记录和计数进程，记录触发脉冲所对应的绝对时刻；

6、连续记录数据采集记录单元的传感器的采样数据和每个外部低频周期性脉冲所触发得到的计数器的读数；

7、根据计数器的读数值，计算数据采样过程的每个数据采样点的绝对时刻，从而实现异地分布式的数据采样同步。

对任意一个采样数据点其绝对时刻的计算说明如下。

假设t₀为系统第一个数据点的采样时刻，如果采样是由低频周期性脉冲触发启动，那么t₀就是第一个低频周期性脉冲的到达时刻；f_c为数据采集记录系统的采样时钟；f_s为设定的采样频率。

计数器的连续计数值是(c₁，c₂...c_m，c_m+1...)，那么这些计数值所对应的采样点序列号是 $(n_1,n_2...n_m,n_{m+1}...)=\frac{f_s}{f_c}(c_1,c_2...c_m,c_{m+1}...)+1$

假设有任意第N个采样点，在上述递增序列n中寻找n_m，使得n_m≤N≤n_m+1。将t₀、m、N、n_m、f_s代入下式计算得到第N个采样点的绝对时刻，

T＝t₀+m+(N-n_m)/f_s。

基于上述数据同步采集方法本发明还提供了一种基于低频周期性脉冲信号的异地数据同步采样系统，该系统用于为中低速数据采样过程提供异地微秒级精度的时间同步，所述异地数据同步系统包含：启动模块、计数器模块、传感器模块、数据采集记录单元、数据处理单元和周期性脉冲信号接收保持模块；

所述启动模块，用于启动数据采集记录单元和计数器分别开始采样及计数；

所述计数器模块，用于记录数据采样点与周期性脉冲信号的时间位置对应关系；

所述传感器模块，用于采集相关物理量，并转换为电信号，传递给数据采集记录单元；

所述数据采集记录单元，用于记录第一个周期性脉冲信号触发计数器开始计数所对应的绝对时刻，并连续记录传感器的采样数据和每个周期性脉冲触发计数器进行计数时对应的计数器的读数；

所述周期性脉冲信号接收保持模块，用于接收或者保持周期性脉冲信号，并将该脉冲信号作为所述计数器的读数触发信号及数据采集记录单元的采样动作的触发信号；

所述数据处理单元，用于根据计数器的读数，由下式计算所述数据采集记录单元在每个数据采样点N的绝对时刻，从而实现异地分布式的数据采样同步；

T＝t₀+m+(N-n_m)/f_s

其中，t₀为第一个数据点的采样时刻；f_s为设定的采样频率；计数器的连续计数值是(c₁，c₂...c_m，c_m+1...)，这些计数值所对应的数据采样点序列号组成递增的n序列为：(n₁，n₂...n_m，n_m+1...)，且 $(n_1,n_2...n_m,n_{m+1}...)=\frac{f_s}{f_c}(c_1,c_2...c_m,c_{m+1}...)+1;$ f_c为数据采集的采样时钟，m是数据记录开始后的时间长度，单位是脉冲的周期。

上述技术方案中，所述数据采集记录单元进一步包含：

接收单元，用于接受传感器采集的电信号并将其按照设定的采样频率进行模数转换；和

记录存储单元，用于记录第一个周期性脉冲信号触发计数器开始计数所对应的绝对时刻，并连续记录采样传感器的采样数据和每个周期性脉冲触发计数器进行计数时对应的计数器的读数。

上述技术方案中，所述周期性脉冲信号接收保持模块用于接收或者保持低频脉冲信号。

可选的，所述启动模块采用一个逻辑开关。所述逻辑开关使用周期性脉冲信号作为打开这个逻辑开关的触发信号，即使用第一个周期性脉冲信号启动计数器和采样过程，使用第二个周期性脉冲信号触发第一次计数值读取，依此类推，完成所有计数值的读取。

总之，本发明的技术方案可用于现有的数据采集系统中，具体为在现有技术的数据采集模块(或单元)中加装一个计数器，所述计数器用于记录数据采样点与低频脉冲的时间位置对应关系，该计数器可以采用常见的数字电路进行实现，建议采用32位以上的计数器实现。

作为上述技术方案的优化，如果计数器数据记录的时间较长，出现脉冲计数器溢出的情况，可以有两个解决办法。

第一种策略，当所述计数器发生溢出时，所述计数器能够采用若干个级联的计数器进行替换。以计数器两级级联为例，则计算第N个数据采样点绝对时刻的公式仍为(1)式。但是，若第一级计数器设定溢出值为c_o，第二级计数器输出为(c₁，c₂...c_m，c_m+1...)，这些计数值所对应的采样点序列号，也即(2)式应调整为；

$(n_1,n_2...n_m,n_{m+1}...)=\frac{f_s}{f_c}(c_1,c_2...c_m,c_{m+1}...)\·c_o+1---\left(3\right)$

第二种策略，当所述计数器发生溢出还能够采用重新加载的计数器的策略，该策略具体为：将计数器设定为溢出后自动重新加载。那么，只要信号采样的时间足够长，就能够观察到周期性出现的计数器溢出现象。出现了溢出现象，计数器的整秒计数值(c₁，c₂...c_m，c_m+1...)就不能直接用于代入(2)式用于求解所对应的采样点序列号，而必须进行必要的修正。假设计数器设定溢出值为c_o，则具体的修正算法表述如下：

1)设有计数器的整秒计数值序列(c₁，c₂...c_m，c_m+1...)，从第二项开始，每个计数值减去前一计数值，将得到的差值组成一个新的数列(s₁，s₂...s_m，s_m+1...)，显然，s_m＝c_m+！-c_m。

2)从数列(s₁，s₂...s_m，s_m+1...)第一项开始，依次进行分析。若该项数值为正，则不作任何处理，进入对序列下一个数值的分析。若该项数值(以任意项s_m为例)非正，那说明c_m+！≤c_m，也就是计数器出现了一次溢出。因此要将c_m+！及其以后的所有计数值加上一个计数器设定的溢出值c_o。

3)重复步骤2)，直至数列(s₁，s₂...s_m，s_m+1...)结束。

经过上述修正后的计数值序列(c₁，c₂...c_m，c_m+1...)可以代入(2)式，用于求解所对应的采样点序列号。当然，上述修正过程，隐含着一个条件：在三次相邻的计数之间，最多出现一次计数器溢出。这个条件等价于：计数器的溢出值不小于采样时钟频率f_c的两倍。对于常见的32位计数器来说，f_c在2GHz之内，都满足上述条件，对于中低速采样系统来说，常见的时钟频率在10MHz～100MHz，显然满足要求。

综上所述，如果计数器资源允许，可以使用两个或者多个计数器级联的方式，避免最上级的计数器溢出。但是，这也意味着对时间定位的精度有所损失，具体分析见后面关于时间同步精度的分析。如果计数器资源不允许，或者不愿意增加额外的资源开销，使用可自从重新加载的计数器即可。这样会导致计数值周期性溢出，数据处理时，在每一次溢出后的计数值都加入一个计数器的最大值，就可以弥补周期性溢出的影响，这样修正后的计数值，可以直接按照前述方法用于计算采样点的绝对时刻。

此外，这种基于外部低频周期性脉冲信号和脉冲计数器的异地数据同步方法，其同步精度取决于两个环节：

1、外部低频周期性脉冲的精度，以使用GPS秒脉冲方案为例，选用目前的一些带有滤波处理算法的接收处理模块，其精度可以达到纳秒量级。

GPS信号接收模块可以给出对应整数秒的脉冲信号，简称PPS(秒脉冲)。由于GPS秒脉冲具有典型的应用代表性，因此本文的示例和说明多以GPS秒脉冲为例，但本发明提出的方法并不局限于使用GPS秒脉冲。在某些测量环境中，若不能实时联接GPS信号，可以依靠内部的高精度时钟源保持同步状态。只要这些时钟源能够给出精确度足够高的周期性低频脉冲信号(周期也不要求必须是1秒)，都可以使用本发明提出的方法实现同步。

2、采集系统的采样时钟频率f_c，使用脉冲计数器，对数据点的定位精度为1/f_c。以常见的f_c＝10MHz的一个中低速数据采集系统为例，这种方法对数据点的时间处理精度为100个纳秒。

所以，如果选用合适的接收处理模块，外部低频周期性脉冲的精度通常不是系统时间同步精度的瓶颈。系统的时间同步精度基本取决于采集系统的采样时钟频率f_c。f_c越高，这种处理方法的时间同步精度就越高。

最后应说明，此处所描述的实例仅用于解释本发明，本发明并不限定具体业务类别、用户终端类别以及支付系统类别，对以上内容所做的变换也落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于周期性脉冲信号的异地数据同步采集方法，该方法用于为中低速数据采样过程提供异地微秒级精度的时间同步，所述方法包含：

步骤101)用于初始化的步骤，该步骤具体包含：

设置数据采样时钟为计数器的计数源；设置周期性脉冲信号为所述计数器的读数触发信号，同时设置该周期性脉冲为数据采样过程的采样动作的触发信号；

步骤102)由第一个周期性脉冲信号启动数据采样过程，同时启动所述计数器开始计数；

步骤103)记录第一个周期性脉冲信号触发计数器开始计数所对应的绝对时刻t₀，并根据设定数据采样频率连续记录采样数据和每个周期性脉冲信号触发计数器时的计数器的读数值序列(c₁，c₂...c_m，c_m+1...)；

步骤104)对采样数据进行时间标定，完成数据采样过程的同步，具体步骤为：

首先，假设f_s为设定的采样频率，f_c为数据采集过程的采样时钟，计数器在第1秒的计数值用c₁表示，第2秒的计数值用c₂表示，依此类推，第m秒的计数值用c_m表示，所以每个周期性脉冲信号触发计数器时的计数器的读数值组成序列(c₁，c₂...c_m，c_m+1...)，且这些读数值序列所对应的数据采样点的序列号组成递增序列n为：(n₁，n₂...n_m，n_m+1...)，该序列进一步由下式获取：

$(n_1,n_2...n_m,n_{m+1}...)=\frac{f_s}{f_c}(c_1,c_2...c_m,c_{m+1}...)+1;$

然后，从上述递增序列n中寻找n_m，使得第N个数据采样点满足：n_m≤N≤n_m+1；

最后，将上述个步骤获取的：绝对时刻t₀、m、N、n_m、f_s代入下式，得到第N个数据采样点的绝对时刻，从而实现异地分布式的数据采样同步；

T＝t₀+m+(N-n_m)/f_s。

2.根据权利要求1所述的基于周期性脉冲信号的异地数据同步采集方法，其特征在于，所述计数器能够采用若干个级联的计数器进行替换。

3.根据权利要求1所述的基于周期性脉冲信号的异地数据同步采集方法，其特征在于，当所述计数器发生溢出还能够采用重新加载的计数器的策略进行处理，该策略具体为：将计数器设定为溢出后自动重新加载。

4.根据权利要求1所述的基于低频周期性脉冲信号的异地数据同步方法，其特征在于，所述周期性脉冲信号为GPS秒脉冲信号。

5.一种基于低频周期性脉冲信号的异地数据同步采样系统，该系统用于为中低速数据采样过程提供异地微秒级精度的时间同步，所述异地数据同步系统包含：启动模块、计数器模块、传感器模块、数据采集记录单元、数据处理单元和周期性脉冲信号接收保持模块；

所述启动模块，用于启动数据采集记录单元和计数器分别开始采样及计数；

所述计数器模块，用于记录数据采样点与周期性脉冲信号的时间位置对应关系；

所述传感器模块，用于采集相关物理量，并转换为电信号，传递给数据采集记录单元；

所述数据采集记录单元，用于记录第一个周期性脉冲信号触发计数器开始计数所对应的绝对时刻，并连续记录传感器的采样数据和每个周期性脉冲触发计数器进行计数时对应的计数器的读数；

所述周期性脉冲信号接收保持模块，用于接收或者保持周期性脉冲信号，并将该脉冲信号作为所述计数器的读数触发信号及数据采集记录单元的采样动作的触发信号；

所述数据处理单元，用于根据计数器的读数，由下式计算所述数据采集记录单元在每个数据采样点N的绝对时刻，从而实现异地分布式的数据采样同步；

T＝t₀+m+(N-n_m)/f_s

其中，t₀为第一个数据点的采样时刻；f_s为设定的采样频率；计数器的连续计数值是(c₁，c₂...c_m，c_m+1...)，这些计数值所对应的数据采样点序列号组成递增的n序列为：(n₁，n₂...n_m，n_m+1...)，且 $(n_1,n_2...n_m,n_{m+1}...)=\frac{f_s}{f_c}(c_1,c_2...c_m,c_{m+1}...)+1;$ f_c为数据采集的采样时钟，m是数据记录开始后的时间长度，单位是脉冲的周期。

6.根据权利要求5所述的基于周期性脉冲信号的异地数据同步系统，其特征在于，所述数据采集记录单元进一步包含：

接收单元，用于接受传感器采集的电信号并将其按照设定的采样频率进行模数转换；和

记录存储单元，用于记录第一个周期性脉冲信号触发计数器开始计数所对应的绝对时刻，并连续记录采样传感器的采样数据和每个周期性脉冲触发计数器进行计数时对应的计数器的读数。

7.根据权利要求5所述的基于周期性脉冲信号的异地数据同步系统，其特征在于，所述周期性脉冲信号接收保持模块用于接收或者保持低频脉冲信号。

8.根据权利要求5所述的基于低频周期性脉冲信号的异地数据同步系统，其特征在于，所述启动模块采用一个逻辑开关。

9.根据权利要求8所述的基于低频周期性脉冲信号的异地数据同步系统，其特征在于，所述逻辑开关使用周期性脉冲信号作为打开这个逻辑开关的触发信号，即使用第一个周期性脉冲信号启动计数器和采样过程，使用第二个周期性脉冲信号触发第一次计数值读取，依此类推，完成所有计数值的读取。

Images