CN107966723A - 一种多速率多通道时间同步高速数据记录系统 - Google Patents

Abstract

本发明针对现有多通道数据记录系统的各通道通信速率不能在使用时动态配置，各通道时间同步机制与特定导航定位传感器相关的问题，公开了一种多速率多通道时间同步高速数据记录系统，该系统由数据接收模块、同步时钟模块、数据同步模块、电子硬盘和数据回放模块组成，各通道速率可动态、独立配置，各通道时间同步的实现是建立在数据接收模块、同步时钟模块、数据同步模块和数据回放模块相互配合的基础上，以各通道数据流起始的全局时间戳来实现各通道数据的时间同步，而无须依赖于特定导航定位传感器的特定数据协议，因此本发明所述的数据记录系统可满足组合导航系统灵活配置的需求，使组合导航系统能够以最优的导航定位传感器组合实现。

Description

一种多速率多通道时间同步高速数据记录系统

技术领域：

本发明涉及数据记录仪领域，特别是涉及一种多速率多通道时间同步高速数据记录系统。

背景技术：

为满足高精度导航定位需求，将特性互补的导航定位传感器集成整合为组合导航系统，可获得全天候高精度导航定位信息，对人们的生产生活具有重要意义。导航定位传感器数据的高精度同步记录是组合导航系统的关键技术，可以通过多速率多通道的时间同步数据记录系统实现。不同类型、不同型号的导航定位传感器的通信速率与通信协议是不同的，目前组合导航系统中所使用的数据记录系统的主要缺陷是：数据记录系统各通道的通信速率不能在使用时动态配置，而需要断电后通过专用软件修改其各通道的通信速率；数据记录系统的时间同步功能是针对特定型号导航定位传感器专门设计，其时间同步机制依赖于该型号传感器的数据协议，无法实现任意导航定位传感器数据间的时间同步，当接入的导航定位传感器与数据记录系统设计时所针对的导航定位传感器不同时，无法实现各通道数据的时间同步。上述两点缺陷给组合导航系统的工程应用带来不便，主要体现在：由于应用环境、精度需求和成本要求等因素的改变，用户需要用新的导航定位传感器替换组合导航系统中原有的导航定位传感器，若其通信速率与被替换的导航定位传感器的通信速率不一致，则需要将组合导航系统断电，对数据记录系统重新进行配置，不能实现通信速率的动态配置。若其通信协议与被替换的导航定位传感器的通信协议不一致，则新加入导航定位传感器的数据无法与其它通道导航定位传感器的数据实现时间同步。现有数据记录系统的上述两个缺点，限制了组合导航系统配置的灵活性，导致用户不能根据其需求灵活地选择导航定位传感器组合，因此需要一种新的多速率多通道时间同步高速数据记录系统，该系统可动态配置各通道通信速率，可实现与各通道导航定位传感器通信协议无关的时间同步功能。

发明内容：

针对上述问题，本发明提供了一种多速率多通道时间同步高速数据记录系统，该记录系统能够动态地配置各通道通信速率；能够实现各通道数据的时间同步，且时间同步实现机制与导航传感器的数据协议无关。本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种多速率多通道时间同步高速数据记录系统，由数据接收模块、同步时钟模块、数据同步模块、电子硬盘和数据回放模块组成。数据接收模块用于接收导航定位传感器数据，同步时钟模块用于生成全局时间戳，数据同步模块用于实现各通道数据同步，数据同步模块将帧头、全局时间戳、接收的数据段和数据段长度记录进行组合，得到带有时间同步信息的数据帧，而后将属于同一通道的数据帧连续地存储于电子硬盘中。当用户需要从电子硬盘中读取存储的任意通道数据时，数据回放模块将存储的属于该通道的全部数据帧整合为数据流，提取其起始全局时间戳，最后将数据流、起始全局时间戳提交给用户。

所述数据接收模块通过多个通道接收多个导航定位传感器数据，每个通道含有一个数据接收单元与一个内存块，其中数据接收单元的波特率根据波特率控制寄存器的值进行设定，按每3个比特位构成波特率控制字并分配给各通道以设置其波特率；所述的波特率控制器是一个内存单元，初始时波特率控制器的值为默认值，用户可以通过内存控制器总线设置波特率控制器的值，实现动态地设定各通道波特率。所述各通道的内存块用于缓存接收到的数据，当接收单元超过3个字节时间未接收到有效数据时，接收单元判定接收到了一个数据段，将该数据段由所述内存块取出，并连同当前时刻由同步时钟模块输出的全局时间戳，发送到数据同步模块。

所述同步时钟模块用于生成全局时钟戳，同步时钟模块包含全局时钟计数器，全局时钟计数器为4字节寄存器，以4000赫兹频率进行累加，每次累加1，其累加值为所述的全局时间戳。

所述的一种多速率多通道时间同步高速数据记录系统，还可包含卫星导航接收机，卫星导航接收机的秒脉冲与卫星导航数据由所述卫星导航接收机输入到同步时钟模块，在秒脉冲的上升沿到来时，记录下此刻的全局时间戳，并依据卫星导航接收机数据协议对其输入同步时钟模块的数据进行协议处理，获取卫星授时的周数与周秒，并通过时间转换单元转换为世界协调时间，将所述记录的全局时间戳与所述转换得到的世界协调时间组成时间转换信息，将时间转换信息发送到电子硬盘存储，若无卫星导航接收机数据或秒脉冲输入，则所述的卫星授时单元、时间转换单元不工作，不生成时间转换信息。

所述数据同步模块用于同步各通道数据，数据同步模块对接收到的数据进行组帧处理以得到数据帧，并将其发送到电子硬盘进行存储，所述数据帧的组成结构为：帧头为固定的2字节常值0x55 0xAA，其后是由数据接收模块输入的4字节全局时间戳，而后是由数据接收模块输入的数据段，最后是用于记录数据段长度的2字节变量，所述数据段长度是数据段包含的字节数，所述2字节变量的高字节记为LH、低字节记为LL。

所述数据回放模块用于将存储的带有同步信息的数据帧整合为数据流，当用户需要从电子硬盘中读取存储的任意通道数据时，属于该通道的所有数据帧将被送到数据回放模块整合为数据流，并提取出该数据流的起始全局时间戳，将数据流与全局时间戳一起提交给用户，当包含了卫星导航接收机时，将所述时间转换信息也提交给用户。

所述数据回放模块中数据帧整合为数据流的方法包含以下步骤：

第一步，依据先存储先读取的规则，将属于该通道的连续存储的所有数据帧读取并存储到Buffer数组中；

第二步，从Buffer数组的当前元素开始搜索，当搜索到第n个元素为0x55且第(n+1)个元素为0xAA时进入第三步，否则继续执行第二步，搜索的初始元素为Buffer数组的第1个元素；

第三步，从第n+2个数组元素开始搜索，当搜索到第(n+k)个数组元素为0x55且第(n+k+1)个数组元素是0xAA时，判断以(n+k-2)为高位、(n+k-1)为低位构成的2字节变量的值是否等于(k-8),若成立则进入第四步，若不成立则继续执行第三步；

第四步，若不是第一次执行到第四步则跳过第四步直接执行第五步，若是第一次执行到第四步，则将Buffer数组的第(n+2)至第(n+5)元素保存为4字节变量Start_Time，所述变量Start_Time即是此数据流的起始全局时间戳；

第五步，将Buffer中第(n+6)至第(n+k-3)元素放置到数组Data_Stream中，将当前搜索位置设置为Buffer中第(n+k)元素，并回到第二步继续搜索，当搜索到Buffer数组的最后一个元素时，进入第六步；

第六步，将Data_Stream及Start_Time提交给用户，若同步时钟模块存储了时间转换信息到电子硬盘中，则将所述的时间转换信息也提交给用户。

本发明的有益效果是：本发明所述的多速率多通道时间同步高速数据记录系统的各通道速率可动态、独立配置，各通道时间同步的实现是建立在数据接收模块、同步时钟模块、数据同步模块和数据回放模块相互配合的基础上，以各通道数据流起始的全局时间戳来实现各通道数据的时间同步，而无须依赖于特定导航定位传感器的特定数据协议，本发明所述的数据记录系统可满足组合导航系统灵活配置的需求，使组合导航系统能够以最优的导航定位传感器组合实现。

附图说明：

图1为本发明的系统构成框图；

图2为数据接收模块结构图；

图3为波特率控制器与各通道连接图；

图4为同步时钟模块结构图；

图5为数据帧结构图；

图6为数据回放模块的数据帧整合流程图。

具体实施方式：

下面将通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，一种多速率多通道时间同步高速数据记录系统，由数据接收模块、同步时钟模块、数据同步模块、电子硬盘和数据回放模块组成，本实施例中还包括卫星导航接收机。数据接收模块、数据同步模块、同步时钟模块由Xilinx Spartan-6FPGA实现，电子硬盘为三星SATA(Serial Advanced Technology Attachment)接口电子硬盘，卫星导航接收机为Trimble BD930。数据接收模块用于接收导航定位传感器数据，本实施例中需要采集数据的导航定位传感器包括：惯性导航系统(包括3个陀螺和3个加速度计)、里程计和电磁罗盘，8路串口信号通过电压转换芯片与光耦隔离芯片后连接到FPGA芯片的I/O管脚。同步时钟模块用于生成全局时间戳，Trimble BD930卫星接收机输出的秒脉冲信号直接连接到FPGA芯片的I/O管脚，其输出的卫星导航数据为串口信号，通过电压转换芯片与光耦隔离芯片后连接到FPGA芯片的I/O管脚。数据同步模块用于实现各通道数据同步，数据同步模块将帧头、全局时间戳、接收的数据段和数据段长度记录进行组合，得到带有时间同步信息的数据帧，而后将属于同一通道的数据帧连续地存储于电子硬盘中。当用户需要从电子硬盘中通过SATA总线读取存储的任意通道数据时，数据回放模块将存储的属于该通道的全部数据帧整合为数据流，提取其起始全局时间戳，最后将数据流、起始全局时间戳提交给用户。

参见图2，所述数据接收模块通过8个通道接收所述导航定位传感器的数据并缓存，每个通道含有一个数据接收单元与一个内存块。所述8个通道中第1至第6通道为RS-232串口，用于接收3个陀螺和3个加速度计的数据，陀螺和加速度计数据波特率均为115200bps(bit per second)；第7通道为RS-485串口，用于接收里程计数据，里程计串口波特率为38400bps；第8通道为RS422串口，用于接收磁罗盘数据，磁罗盘串口波特率为9600bps，各数据接收单元的波特率根据波特率控制寄存器的值进行设定，按每3个比特位构成波特率控制字并分配给各通道以设置其波特率，参见图3；所述的波特率控制器是一个内存单元，初始时波特率控制器的值为默认值0x000000，用户可以通过内存控制器总线设置波特率控制器的值，实现动态地设定各通道波特率以接收各通道不同速率的数据，波特率控制字与波特率对应关系见表1。本实施例中，根据各通道的通信速率，各通道的波特率设置见表2，可在组合导航系统工作时，通过内存控制器总线将波特率控制器的值设置为0x924910，实现动态地设定各通道波特率。所述各通道的内存块用于缓存接收到的数据，当接收单元超过3个字节时间未接收到有效数据时，接收单元判定接收到了一个数据段，将该数据段由所述内存块取出，并连同当前时刻由同步时钟模块输出的全局时间戳，发送到数据同步模块，所述的3个字节时间与波特率相关，各通道不完全一致，例如第1通道波特率为115200bps，则3个字节时间为260微秒。

表1波特率控制字与波特率对应关系

波特率(bps)	921600	115200	57600	38400	19200	9600
							波特率控制字	101	100	011	010	001	000

表2各通道波特率控制字设置

通道	1	2	3	4	5	6	7	8
									波特(bps)	115200	115200	115200	115200	115200	115200	38400	9600
波特率控制字	100	100	100	100	100	100	010	000

参见图4，所述同步时钟模块用于生成全局时钟戳，同步时钟模块包含全局时钟计数器，全局时钟计数器为4字节寄存器，以4000赫兹频率进行累加，每次累加1，其累加值为所述的全局时间戳，卫星导航接收机的秒脉冲与卫星导航数据输入到同步时钟模块，在秒脉冲的上升沿到来时，记录下此刻的全局时间戳，并依据卫星导航接收机数据协议对其输入同步时钟模块的数据进行协议处理，获取卫星授时的周数与周秒，并通过时间转换单元转换为世界协调时间，将所述记录的全局时间戳与所述转换得到的世界协调时间组成时间转换信息，将时间转换信息发送到电子硬盘存储。

参见图5，所述数据同步模块用于同步各通道数据，数据同步模块对接收到的数据进行组帧处理以得到数据帧，并将其发送到电子硬盘进行存储，所述数据帧的组成结构为：帧头为固定的2字节常值0x55 0xAA，其后是由数据接收模块输入的4字节全局时间戳，而后是由数据接收模块输入的数据段，最后是用于记录数据段长度的2字节变量，所述数据段长度是数据段包含的字节数，所述2字节变量的高字节记为LH、低字节记为LL。

参见图6，所述数据回放模块用于将存储的带有同步信息的数据帧整合为数据流，当用户需要从电子硬盘中通过SATA总线读取存储的任意通道数据时，属于该通道的所有数据帧将被送到数据回放模块整合为数据流，并提取出该数据流的起始全局时间戳，将数据流，全局时间戳和时间转换信息提交给用户。

所述数据回放模块中数据帧整合为数据流的方法包含以下步骤：

第一步，依据先存储先读取的规则，将属于该通道的连续存储的所有数据帧读取并存储到Buffer数组中；

第二步，从Buffer数组的当前元素开始搜索，当搜索到第n个元素为0x55且第(n+1)个元素为0xAA时进入第三步，否则继续执行第二步，搜索的初始元素为Buffer数组的第1个元素；

第三步，从第n+2个数组元素开始搜索，当搜索到第(n+k)个数组元素为0x55且第(n+k+1)个数组元素是0xAA时，判断以(n+k-2)为高位、(n+k-1)为低位构成的2字节变量的值是否等于(k-8),若成立则进入第四步，若不成立则继续执行第三步；

第四步，若不是第一次执行到第四步则跳过第四步直接执行第五步，若是第一次执行到第四步，则将Buffer数组的第(n+2)至第(n+5)元素保存为4字节变量Start_Time，所述变量Start_Time即是此数据流的起始全局时间戳；

第五步，将Buffer中第(n+6)至第(n+k-3)元素放置到数组Data_Stream中，将当前搜索位置设置为Buffer中第(n+k)元素，并回到第二步继续搜索，当搜索到Buffer数组的最后一个元素时，进入第六步；

第六步，将Data_Stream及Start_Time提交给用户，若同步时钟模块存储了时间转换信息到电子硬盘中，则将所述的时间转换信息也提交给用户。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多速率多通道时间同步高速数据记录系统，由数据接收模块、同步时钟模块、数据同步模块、电子硬盘和数据回放模块组成，数据接收模块用于接收导航定位传感器数据，同步时钟模块用于生成全局时间戳，数据同步模块用于实现各通道数据同步，数据同步模块将帧头、全局时间戳、接收的数据段和数据段长度记录进行组合，得到带有时间同步信息的数据帧，而后将属于同一通道的数据帧连续地存储于电子硬盘中，当用户需要从电子硬盘中读取存储的任意通道数据时，数据回放模块将存储的属于该通道的全部数据帧整合为数据流，提取其起始全局时间戳，最后将数据流、起始全局时间戳提交给用户，其特征在于：

所述数据接收模块通过多个通道接收多个导航定位传感器数据，每个通道含有一个数据接收单元与一个内存块，其中数据接收单元的波特率根据波特率控制寄存器的值进行设定，按每3个比特位构成波特率控制字并分配给各通道以设置其波特率；所述的波特率控制器是一个内存单元，初始时波特率控制器的值为默认值，用户可以通过内存控制器总线设置波特率控制器的值，实现动态地设定各通道波特率；所述各通道的内存块用于缓存接收到的数据，当接收单元超过3个字节时间未接收到有效数据时，接收单元判定接收到了一个数据段，将该数据段由所述内存块取出，并连同当前时刻由同步时钟模块输出的全局时间戳，发送到数据同步模块；

所述同步时钟模块用于生成全局时钟戳，同步时钟模块包含全局时钟计数器，全局时钟计数器为4字节寄存器，以4000赫兹频率进行累加，每次累加1，其累加值为所述的全局时间戳；

所述数据同步模块用于同步各通道数据，数据同步模块对接收到的数据进行组帧处理以得到数据帧，并将其发送到电子硬盘进行存储，所述数据帧的组成结构为：帧头为固定的2字节常值0x55 0xAA，其后是由数据接收模块输入的4字节全局时间戳，而后是由数据接收模块输入的数据段，最后是用于记录数据段长度的2字节变量，所述数据段长度是数据段包含的字节数，所述2字节变量的高字节记为LH、低字节记为LL；

所述数据回放模块用于将存储的带有同步信息的数据帧整合为数据流，当用户需要从电子硬盘中读取存储的任意通道数据时，属于该通道的所有数据帧将被送到数据回放模块整合为数据流，并提取出该数据流的起始全局时间戳，将数据流与全局时间戳一起提交给用户，当包含了卫星导航接收机时，将所述时间转换信息也提交给用户。

2.根据权利要求1所述的一种多速率多通道时间同步高速数据记录系统，其特征在于：该数据记录系统还可包含卫星导航接收机，卫星导航接收机的秒脉冲与卫星导航数据由所述卫星导航接收机输入到同步时钟模块，在秒脉冲的上升沿到来时，记录下此刻的全局时间戳，并依据卫星导航接收机数据协议对其输入同步时钟模块的数据进行协议处理，获取卫星授时的周数与周秒，并通过时间转换单元转换为世界协调时间，将所述记录的全局时间戳与所述转换得到的世界协调时间组成时间转换信息，将时间转换信息发送到电子硬盘存储，若无卫星导航接收机数据或秒脉冲输入，则所述的卫星授时单元、时间转换单元不工作，不生成时间转换信息。

3.根据权利要求1所述的一种多速率多通道时间同步高速数据记录系统，其特征在于：所述数据回放模块中数据帧整合为数据流的方法包含以下步骤：

第一步，依据先存储先读取的规则，将属于该通道的连续存储的所有数据帧读取并存储到Buffer数组中；

第二步，从Buffer数组的当前元素开始搜索，当搜索到第n个元素为0x55且第(n+1)个元素为0xAA时进入第三步，否则继续执行第二步，搜索的初始元素为Buffer数组的第1个元素；

第三步，从第n+2个数组元素开始搜索，当搜索到第(n+k)个数组元素为0x55且第(n+k+1)个数组元素是0xAA时，判断以(n+k-2)为高位、(n+k-1)为低位构成的2字节变量的值是否等于(k-8),若成立则进入第四步，若不成立则继续执行第三步；

第四步，若不是第一次执行到第四步则跳过第四步直接执行第五步，若是第一次执行到第四步，则将Buffer数组的第(n+2)至第(n+5)元素保存为4字节变量Start_Time，所述变量Start_Time即是此数据流的起始全局时间戳；

第五步，将Buffer中第(n+6)至第(n+k-3)元素放置到数组Data_Stream中，将当前搜索位置设置为Buffer中第(n+k)元素，并回到第二步继续搜索，当搜索到Buffer数组的最后一个元素时，进入第六步；

第六步，将Data_Stream及Start_Time提交给用户，若同步时钟模块存储了时间转换信息到电子硬盘中，则将所述的时间转换信息也提交给用户。