CN109615838B - 基于Wi-Fi的低成本低功耗多终端信号同步采集系统 - Google Patents

基于Wi-Fi的低成本低功耗多终端信号同步采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Wi‑Fi的低成本低功耗多终端信号同步采集系统。包括信号采集装置、通信与控制装置、Wi‑Fi接入点装置和采集装置上位机；通信控制装置通过串行外设接口接收信号采集装置的采集信号，通信控制装置和采集装置上位机接入Wi‑Fi接入点装置，通信控制装置通过Wi‑Fi将信号采集装置的采集信号以及采集信号的时间戳发送至采集装置上位机；各采集终端与Wi‑Fi接入点装置之间采用低成本低功耗时间同步方法完成时间同步。本发明避免了复杂的电缆连接，降低部署成本，便携性提高，连接更加简单，既解决了传感网时间同步协议功耗大的缺点，又克服了参考广播同步协议只能单侧时间同步的不足。

Description

基于Wi-Fi的低成本低功耗多终端信号同步采集系统
技术领域
本发明涉及工业测控领域数据采集及控制装置，具体涉及一种基于Wi-Fi的低成本低功耗多终端信号同步采集系统。
背景技术
作为计算机与外部物理世界连接的纽带，数据采集系统在工业生产和制造领域具有重要作用。随着我国工业自动化和智能化程度逐渐加深，工业生产对高性能数据采集系统的需求也不断增加。传统的数据采集系统一般采用232总线、485总线、USB总线、以太网等完成数据采集系统与上位机的数据交互。在需要采集不同位置的信号时，一般采用电缆进行多采集终端的连接。在复杂的工业生产现场或者移动的测试平台中，进行复杂的电缆连接难度较大。
Wi-Fi具有传输速度快，可多台设备同时连接，无须布线、成本低等优点。因此，本发明提供了出一种基于Wi-Fi的低成本低功耗多终端信号同步采集系统。在工程检测应用中，多个节点的信息需要进行协同处理，各采集终端需要具有精准一致的系统时间。现有技术中缺少了一种高效的低成本低功耗系统时间同步方式来实现多终端信号同步采集控制。
发明内容
针对传统的数据采集系统需要复杂电缆连接的缺点，本发明设计出一种基于Wi-Fi的低成本低功耗多终端信号同步采集系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明包括信号采集装置、通信与控制装置、Wi-Fi接入点装置和采集装置上位机；信号采集装置采集电压、电流模拟信号、数字信号等采集信号，通信控制装置通过串行外设接口接收信号采集装置的采集信号，通信控制装置和采集装置上位机接入Wi-Fi接入点装置，通信控制装置通过Wi-Fi将信号采集装置的采集信号以及采集信号的时间戳发送至采集装置上位机；由信号采集装置、通信与控制装置组成独立的采集终端，各采集终端与Wi-Fi接入点装置之间采用低成本低功耗时间同步方法完成时间同步。
所述的低成本低功耗时间同步方法具体为：
1)Wi-Fi接入点装置采用高精度的物理时钟，采集终端采用低精度的物理时钟；高精度是指晶振频率误差等级为0.1PPM，即晶振频率误差为百万分之零点一，低精度是指晶振频率误差等级为20PPM，即晶振频率误差为百万分之二十。
2)初始化阶段，Wi-Fi接入点装置接收采集装置上位机在网络运输层标记的时间戳，然后校准系统时钟，将Wi-Fi接入点装置的高精度时钟作为采集终端时间同步的基准源；
3)选择一个采集终端作为参考终端i，通过传感网时间同步协议完成参考终端i与Wi-Fi接入点装置的时间同步，同步过程如下：
参考终端i向Wi-Fi接入点装置发送同步请求并记录本地时间T1，Wi-Fi接入点装置收到同步请求后记录本地时间T2，并向参考终端i发送包含本地时间T2及其发送时刻T3的回应信号，参考终端i收到后记录本地时间T4；
接着计算参考终端i相对Wi-Fi接入点装置的时间偏差((T2-T1)-(T4-T3))/2，在参考终端i的系统时间基础上加上时间偏差更新参考终端i的系统时间，定时重复以上步骤完成参考终端i与Wi-Fi接入点装置的时间同步；
4)Wi-Fi接入点装置向包含参考终端i在内的各个采集终端均广播M次时间同步指令，各采集终端记录广播的时间同步指令到达时间，记采集终端k接收到第m次广播的时间同步指令时的本地时间为Tk,m，参考终端i接收到第m次广播的时间同步指令时的本地时间为Ti,m；
然后参考终端i接收到M次广播的时间同步指令后，向除自身以外的其它采集终端广播其每次记录的本地时间Ti,1,Ti,2,…,Ti,M，其它采集终端计算出所有M次的自身本地时间Tk,m相对于参考终端i的本地时间Ti,m之间时间偏差的平均值，在其他采集终端的系统时间基础上加上平均值，从而以参考终端i的系统时间为基准更新其它采集终端的系统时间。
本发明的广播是指由发射端向各个接收端发送单向信号。
本发明采用了一种低成本低功耗时间同步方案完成各采集终端与Wi-Fi接入点装置的时间同步。通过上述低成本低功耗时间同步方法在满足同样时钟同步精度的要求下，能实现降低时钟同步装置的成本和功耗。只需要Wi-Fi接入点装置设置高精度的物理时钟，能够节省了采集终端采用高精度的物理时钟的成本。
在原始的传感网时间同步协议中，每完成一个采集终端的时间同步需要2次数据包的发送和接收，对于K个采集终端则需要2K次数据包的发送和接收。本发明采用的时间同步方案只需要2+M+1次数据发送和2+(M+1)K次数据接收。在无线数据的传输过程中，与发送数据相比，接收数据的能量消耗可以忽略。因此，当采集终端数量K较大时，本发明采用的时间同步方案能够节省能耗。
各所述的采集终端与采集装置上位机均连接至Wi-Fi接入点装置的5G频段。
所述信号采集装置包括电压/电流采集模块和数字信号采集模块，电压/电流采集模块同时采集多路电压/电流信号，每路信号通过一路地址线来选择电压采集或电流采集模式，电压/电流采集模块通过串行外设接口发送采集数据至通信与控制装置；数字信号采集模块同时采集两路数字信号，通过电压隔离电路完成电路保护功能。
所述通信与控制装置包括采集端双频Wi-Fi模块和采集端主控模块，采集端主控模块通过SPI通信接口与采集端双频Wi-Fi模块连接，采集端主控模块通过I2C通信接口与所述信号采集装置的电压/电流采集模块连接，采集端主控模块通过CAN通信接口与外部CAN总线连接。
所述Wi-Fi接入点装置包括接入端双频Wi-Fi模块和接入端主控模块，接入端双频Wi-Fi模块通过SPI通信接口与接入端主控模块连接，各采集终端和采集装置上位机连接至接入端双频Wi-Fi模块的5G频段信号。
所述的电压/电流采集模块包括相连接的ADC芯片、开关芯片和滤波电路，ADC芯片为TEXAS INSTRUMENTS公司的ADS7924，开关芯片为ANALOG DEVICES公司的ADG711；ADC芯片的四个引脚CH1～CH4分别和开关芯片的S1～S4引脚连接，ADC芯片的四个引脚CH1～CH4连接到信号源采集电压/电流信号，ADC芯片的SDA、SCLK、INT引脚输出采集信号，开关芯片的D1～D4引脚分别经电阻R1～R4接地，ADC芯片的的IN脚经滤波器和自身的OUT脚连接；本电路模块通过控制开关芯片ADG711引脚使能进行电流采集模式与电压采集模式的切换：例如当使能引脚IN1输入低电平时，开关芯片ADG711的S1引脚与D1引脚导通，采集模块设置为电流采集模式，电流通过电阻R1转换成电压信号；否则，采集模块为电压采集模式；ADC芯片依次选通四路电压信号，通过低通滤波器进行滤波后进行模数转换，最后通过I2C接口发送采集数据至通信与控制装置。
具体实施中的信号采集控制过程是：
步骤1，采集装置上位机将网络运输层标记的时间戳发送至Wi-Fi接入点装置，把各采集终端的各个通道采集模式发送至各采集终端，Wi-Fi接入点装置按照时间同步方案完成与各采集终端的时间同步。
步骤2，通信与控制装置控制信号采集装置完成电压/电流信号以及数字信号的采集，并将采集的数据通过Wi-Fi发送至采集装置上位机，采集装置完成数据的显示，存贮和波形绘制。
针对目前2.4G频段信号复杂，干扰大的缺点，本发明系统Wi-Fi频段选择在5G频段来减少无线数据传输的干扰。
本发明系统采用了一种低成本低功耗的时钟同步方法，完成了各采集终端与Wi-Fi接入点装置的系统时间同步。整个装置的便携性高、应用范围广、采集速率快、性价比高，对工业控制自动化的发展有积极的促进作用。
本发明的有益效果是：
本发明采用Wi-Fi完成采集装置上位机与各采集终端的数据通信，避免了复杂的电缆连接，降低部署成本，Wi-Fi频段在5G频段来避免2.4G信号频段无线数据传输的干扰。
本系统结合了参考广播时间同步协议和传感网时间同步协议的特点，采用了一种低成本低功耗的时间同步方案进行各采集终端与Wi-Fi接入点装置的时间同步，既解决了传感网时间同步协议功耗大的缺点，又克服了参考广播同步协议只能单侧时间同步的不足。
附图说明
图1是本发明的连接框架图；
图2是本发明的时间同步方案结构图；
图3是本发明的通信与控制装置结构图；
图4是本发明的Wi-Fi接入点装置结构图；
图5是本发明的信号采集装置的电压/电流采集模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明具体实施包括信号采集装置、通信与控制装置、Wi-Fi接入点装置2和采集装置上位机1；信号采集装置采集电压、电流模拟信号、数字信号等采集信号，通信控制装置通过串行外设接口接收信号采集装置的采集信号，通信控制装置和采集装置上位机接入Wi-Fi接入点装置2的5G频段，通信控制装置通过Wi-Fi将信号采集装置的采集信号以及采集信号的时间戳发送至采集装置上位机1；由信号采集装置、通信与控制装置组成独立的采集终端3、4、5、6，各采集终端与Wi-Fi接入点装置2之间采用低成本低功耗时间同步方法完成时间同步。
如图2所示，低成本低功耗时间同步方法具体为：
1)Wi-Fi接入点装置2采用高精度的物理时钟，采集终端采用低精度的物理时钟；
2)初始化阶段，Wi-Fi接入点装置2接收采集装置上位机1在网络运输层标记的时间戳，然后校准系统时钟，将Wi-Fi接入点装置2的高精度时钟作为采集终端时间同步的基准源；
3)选择一个采集终端作为参考终端i，通过传感网时间同步协议完成参考终端i与Wi-Fi接入点装置2的时间同步，同步过程如下：
参考终端i向Wi-Fi接入点装置发送同步请求并记录本地时间T1，Wi-Fi接入点装置收到同步请求后记录本地时间T2，并向参考终端i发送包含本地时间T2及其发送时刻T3的回应信号，参考终端i收到后记录本地时间T4；
接着计算参考终端i相对Wi-Fi接入点装置的时间偏差((T2-T1)-(T4-T3))/2，在参考终端i的系统时间基础上加上时间偏差更新参考终端i的系统时间，定时重复以上步骤完成参考终端i与Wi-Fi接入点装置2的时间同步；
4)Wi-Fi接入点装置2向包含参考终端i在内的各个采集终端均广播M次时间同步指令，各采集终端记录广播的时间同步指令到达时间，记采集终端k接收到第m次广播的时间同步指令时的本地时间为Tk,m，参考终端i接收到第m次广播的时间同步指令时的本地时间为Ti,m；
然后参考终端i接收到M次广播的时间同步指令后，向除自身以外的其它采集终端广播其记录的本地时间Ti,1,Ti,2,…,Ti,M，其它采集终端计算出所有M次的自身本地时间Tk,m相对于参考终端i的本地时间Ti,m之间时间偏差的平均值，在其他采集终端的系统时间基础上加上平均值，从而以参考终端i的系统时间为基准更新其它采集终端的系统时间。
信号采集装置包括电压/电流采集模块和数字信号采集模块，电压/电流采集模块同时采集多路电压/电流信号，每路信号通过一路地址线来选择电压采集或电流采集模式，电压/电流采集模块通过串行外设接口发送采集数据至通信与控制装置；数字信号采集模块同时采集两路数字信号，通过电压隔离电路完成电路保护功能。
如图3所示，通信与控制装置包括采集端双频Wi-Fi模块和采集端主控模块，采集端主控模块通过SPI通信接口与采集端双频Wi-Fi模块连接进行数据交互，采集端双频Wi-Fi模块运行在客户端模式，通过UDP协议与Wi-Fi接入点装置进行数据通信。采集端主控模块通过I2C通信接口与信号采集装置的电压/电流采集模块连接进行数据交互，采集端主控模块通过CAN通信接口与外部CAN总线连接进行数据交互；
如图4所示，Wi-Fi接入点装置包括接入端双频Wi-Fi模块和接入端主控模块，接入端双频Wi-Fi模块通过SPI通信接口与接入端主控模块连接进行数据交互，接入端双频Wi-Fi模块运行在接入点模式，各采集终端和采集装置上位机1连接至接入端双频Wi-Fi模块的5G频段信号。
如图5所示，电压/电流采集模块包括相连接的ADC芯片、开关芯片和滤波电路，ADC芯片为TEXAS INSTRUMENTS公司的ADS7924，开关芯片为ANALOG DEVICES公司的ADG711；ADC芯片的四个引脚CH1～CH4分别和开关芯片的S1～S4引脚连接，同时这四个引脚连接到信号源采集电压/电流信号。ADC芯片的SDA、SCLK、INT引脚输出采集信号，开关芯片的D1～D4引脚分别经电阻R1～R4接地，ADC芯片的的IN脚经滤波器和自身的OUT脚连接；本电路模块通过控制开关芯片ADG711引脚使能进行电流采集模式与电压采集模式的切换：例如当使能引脚IN1输入低电平时，开关芯片ADG711的S1引脚与D1引脚导通，采集模块设置为电流采集模式，电流通过电阻R1转换成电压信号；否则，采集模块为电压采集模式；ADC芯片依次选通四路电压信号，通过低通滤波器进行滤波后进行模数转换，最后通过I2C接口发送采集数据至通信与控制装置。
通信与控制装置和Wi-Fi接入点装置采用的双频Wi-Fi模块为Redpine Signal公司的RS9113-N00-D1C，控制芯片为ST公司的STM32F405RGT6，通信与控制装置的CAN通信接口电平芯片为TJA1050。
本发明的具体实施过程如下：
搭建并安装上述装置，首先使能Wi-Fi接入点，然后使能各采集终端和采集装置上位机，各采集终端会自动连接Wi-Fi接入点的5G频段信号，采集装置上位机连接Wi-Fi接入点装置信号。采集装置上位机首先向Wi-Fi接入点装置发送时间信息，之后按照时间同步协议进行各采集终端与Wi-Fi装置接入点的时间同步。采集装置上位机向各采集终端的通信与控制模块发送控制指令，各采集终端的通信与控制模块通过双频Wi-Fi模组接收到数据，通过SPI接口转换成主控芯片可以读取的指控制令，主控芯片根据相应的指令，控制采集模块采集数据并向采集装置上位机反馈采集信息。
当使能信号采集模块后，采集模块进行各通道模拟信号的数据采集和转换，各采集终端的通信与控制模块通过I2C接口读取各通道的转换数据，主控芯片将读取到的数据与时间戳打包通过SPI接口发送至Wi-Fi模组，并控制Wi-Fi模组将数据发送至采集装置上位机，采集装置上位机将接收到的数据按照时间戳存贮、显示以及绘制波形。

Claims (4)

1.一种基于Wi-Fi的低成本低功耗多终端信号同步采集系统，其特征在于：包括信号采集装置、通信与控制装置、Wi-Fi接入点装置(2)和采集装置上位机(1)；信号采集装置采集电压、电流模拟信号、数字信号，通信控制装置通过串行外设接口接收信号采集装置的采集信号，通信控制装置和采集装置上位机接入Wi-Fi接入点装置(2)，通信控制装置通过Wi-Fi将信号采集装置的采集信号以及采集信号的时间戳发送至采集装置上位机(1)；由信号采集装置、通信与控制装置组成独立的采集终端(3、4、5、6)，各采集终端与Wi-Fi接入点装置(2)之间采用低成本低功耗时间同步方法完成时间同步；
所述的低成本低功耗时间同步方法具体为：
1)Wi-Fi接入点装置(2)采用高精度的物理时钟，采集终端采用低精度的物理时钟；
2)初始化阶段，Wi-Fi接入点装置(2)接收采集装置上位机(1)在网络运输层标记的时间戳，然后校准系统时钟，将Wi-Fi接入点装置(2)的高精度时钟作为采集终端时间同步的基准源；
3)选择一个采集终端作为参考终端i，通过传感网时间同步协议完成参考终端i与Wi-Fi接入点装置(2)的时间同步，同步过程如下：
参考终端i向Wi-Fi接入点装置发送同步请求并记录本地时间T1，Wi-Fi接入点装置收到同步请求后记录本地时间T2，并向参考终端i发送包含本地时间T2及其发送时刻T3的回应信号，参考终端i收到后记录本地时间T4；
接着计算参考终端i相对Wi-Fi接入点装置的时间偏差((T2-T1)-(T4-T3))/2，在参考终端i的系统时间基础上加上时间偏差更新参考终端i的系统时间，定时重复以上步骤完成参考终端i与Wi-Fi接入点装置(2)的时间同步；
4)Wi-Fi接入点装置(2)向包含参考终端i在内的各个采集终端均广播M次时间同步指令，各采集终端记录广播的时间同步指令到达时间，记采集终端k接收到第m次广播的时间同步指令时的本地时间为Tk,m，参考终端i接收到第m次广播的时间同步指令时的本地时间为Ti,m；
然后参考终端i接收到M次广播的时间同步指令后，向除自身以外的其它采集终端广播其每次记录的本地时间Ti,1,Ti,2,…,Ti,M，其它采集终端计算出所有M次的自身本地时间Tk,m相对于参考终端i的本地时间Ti,m之间时间偏差的平均值，在其他采集终端的系统时间基础上加上平均值，从而以参考终端i的系统时间为基准更新其它采集终端的系统时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于Wi-Fi的低成本低功耗多终端信号同步采集系统，其特征在于：各所述的采集终端(3、4、5、6)与采集装置上位机(1)均连接至Wi-Fi接入点装置(2)的5G频段。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于Wi-Fi的低成本低功耗多终端信号同步采集系统，其特征在于：所述信号采集装置包括电压/电流采集模块和数字信号采集模块，电压/电流采集模块同时采集多路电压/电流信号，每路信号通过一路地址线来选择电压采集或电流采集模式，电压/电流采集模块通过串行外设接口发送采集数据至通信与控制装置；数字信号采集模块同时采集两路数字信号，通过电压隔离电路完成电路保护功能；
所述通信与控制装置包括采集端双频Wi-Fi模块和采集端主控模块，采集端主控模块通过SPI通信接口与采集端双频Wi-Fi模块连接，采集端主控模块通过I2C通信接口与所述信号采集装置的电压/电流采集模块连接，采集端主控模块通过CAN通信接口与外部CAN总线连接；
所述Wi-Fi接入点装置包括接入端双频Wi-Fi模块和接入端主控模块，接入端双频Wi-Fi模块通过SPI通信接口与接入端主控模块连接，各采集终端和采集装置上位机(1)连接至接入端双频Wi-Fi模块的5G频段信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于Wi-Fi的低成本低功耗多终端信号同步采集系统，其特征在于：所述的电压/电流采集模块包括相连接的ADC芯片、开关芯片，ADC芯片为TEXASINSTRUMENTS公司的ADS7924，开关芯片为ANALOG DEVICES公司的ADG711；ADC芯片的四个引脚CH1～CH4分别和开关芯片的S1～S4引脚连接，ADC芯片的四个引脚CH1～CH4连接到信号源采集电压/电流信号，ADC芯片的SDA、SCLK、INT引脚输出采集信号，开关芯片的D1～D4引脚分别经电阻R1～R4接地，ADC芯片的的IN脚经滤波器和自身的OUT脚连接；本电路模块通过控制开关芯片ADG711引脚使能进行电流采集模式与电压采集模式的切换：当使能引脚IN1输入低电平时，开关芯片ADG711的S1引脚与D1引脚导通，采集模块设置为电流采集模式，电流通过电阻R1转换成电压信号；否则，采集模块为电压采集模式；ADC芯片依次选通四路电压信号，通过低通滤波器进行滤波后进行模数转换，最后通过I2C接口发送采集数据至通信与控制装置。
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