CN112799320A - 一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法 - Google Patents

一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法，包括以下步骤：在每个待测量设备或传感器安装处均配置一个数据采集模块；由数据采集模块采集测量数据，由授时与数据解析单元获取授时数据，并整合测量数据形成完整的时戳测量数据，将该时戳测量数据发送至数据传输模块；数据传输模块将时戳测量数据发送至路由器，进而传输至服务器，由服务器获取多个待测量设备或传感器的同步测量数据。本发明的同步采集方法采用卫星授时结合本地授时同步单元，可满足无法获取卫星信号的气候条件下数据采集工作的准确同步授时，从而实现全天候数据同步采集。

Description

一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法
技术领域
本发明涉及信号采集传输领域，具体而言，特别涉及一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法。
背景技术
随着海洋开发的深入，船舶海上作业活动越来越频繁。船舶在海上航行及施工作业受到海洋环境的影响，导致临时变更施工窗口期的情况频繁发生，施工作业难度增加、工期延长，甚至影响作业效果。这使得航行或施工工程中船舶运动参数及风浪流等环境变量的测量显得尤为重要。同时现代仿真技术的发展也使海上施工作业及船舶驾控仿真更具有现实意义，那么数据支持就显得极为重要，这对船舶运动参数与风浪流等环境变量测量数据的同步采集提出更高的要求，船舶运动参数及环境参数测量属于一种分布式测量，各测量装置或传感器处于相对比较分散的空间位置，数据采集系统的同步授时及信号采集与传输难度较大。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。有鉴于此，本发明需要提供一种采用卫星授时结合本地授时同步单元，满足无法获取卫星信号的气候条件下数据采集工作的准确同步授时，实现全天候数据同步采集的船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法。
本发明提供一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法，包括以下步骤：
S1、在每个待测量设备或传感器安装处均配置一个本地授时及多接口数据采集传输装置，其中所述本地授时及多接口数据采集传输装置包括授时与数据解析单元、数据采集模块和数据传输模块，即所述数据采集模块配置在测量设备或传感器安装处；
S2、所述数据采集模块用于采集测量数据，由所述授时与数据解析单元获取授时数据，并整合所述测量数据形成完整的时戳测量数据，然后将该时戳测量数据发送至所述数据传输模块；
S3、所述数据传输模块将所述时戳测量数据发送至路由器，进而传输至服务器，由所述服务器获取多个待测量设备或传感器的同步测量数据。
根据本发明的一个实施例，所述授时与数据解析单元包括微处理器、卫星接收模块和FPGA功能模块，所述微处理器上具备串口和模拟量接口，所述卫星接收模块通过串口输出UTC时间和PPS脉冲信号，所述FPGA功能模块用于接收PPS脉冲信号并转化为基准秒脉冲信号传输至所述微处理器，所述FPGA功能模块由恒温晶振提供采样脉冲。
根据本发明的一个实施例，所述FPGA功能模块包括秒周期计算模块、秒周期存储模块、卫星信号检测模块和秒脉冲生产模块，所述秒周期计算模块分别与所述秒周期存储模块和所述秒脉冲生产模块电连接，所述秒周期存储模块与所述卫星信号检测模块电连接，所述卫星信号检测模块与所述秒脉冲生产模块电连接，所述秒脉冲生产模块与所述微处理器电连接。
根据本发明的一个实施例，所述微处理器为意法半导体的STM32F103C8T6。
根据本发明的一个实施例，所述秒周期计算模块利用所述恒温晶振的频率对所述卫星接收模块的PPS信号连续10个周期进行计数，计算PPS的秒周期数值，并存入所述秒周期存储模块，该秒周期数值与PPS信号的下一周期计数值相加求平均值，并与所述秒周期存储模块内数据进行比较，若差值在允许范围内，发送秒周期数值至所述秒脉冲生成模块，所述卫星信号检测模块对PPS信号每个周期做计数，并与所述秒周期存储模块内的秒周期数据进行比较，若该差值超出允许范围，则将所述秒周期存储模块数据发送给所述秒脉冲生成模块，依次作为秒脉冲生成基准，所述秒脉冲生成模块发送基准秒脉冲至所述微处理器作为计时基准脉冲。
根据本发明的一个实施例，所述数据采集模块上具备串口通信数据接口和模拟量数据接口。
根据本发明的一个实施例，所述数据传输模块采用支持串口-以太网-无线网的嵌入式网络模块。
根据本发明的一个实施例，所述卫星接收模块采用北斗/GPS双系统模块。
根据本发明的一个实施例，所述本地授时及多接口数据采集传输装置还包括供电模块，所述供电模块包括顺序电连接的充电接口、锂电池和电源分配模块，所述电源分配模块用于对所述本地授时及多接口数据采集传输装置内需电部件提供电力支持。
本发明提供一种分布式的船舶运动参数与风浪流数据同步采集的方法，准确有效的运动数据测量依赖于高精度时间同步，鉴于测量装置/传感器安装位置（区域）比较复杂，同时输出接口与信号类型的多样性，本发明设计了本地授时及多接口数据采集传输装置，在每个测量设备或传感器安装处均配置一个该装置，从而在获取信号的第一时间为每个数据授时，装置配置北斗/GPS双系统模块，可根据情况选择接入哪个系统，授时与数据解析单元从卫星接收模块获取UTC时间及PPS信号,通过计算和处理取得授时数据，同时解析由串口或模拟量接口获取的测量设备/传感器的测量数据，将时戳和测量数据融合打包发送至以太网通讯模块，以WIFI或有线方式发送至路由器，进而服务器获取同步测量数据，通过上述结构保证了在卫星接收模块由于外部干扰或自身原因导致的失步的情况下授时数据精准性，满足无法获取卫星信号的气候条件下数据采集工作的准确同步授时，实现全天候数据同步采集，卫星授时结合本地授时的双授时模式可实现全天候授时，不受天气状况的影响，两种授时模式可自动无缝切换，确保数据授时的完整性；同时电源分配模块可在线更换锂电池，确保测量设备及数据采集装置不间断工作，也解决了现场布线与安装的受限问题。
附图说明
图1是根据本发明的一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法中本地授时及多接口数据采集传输装置的系统结构示意图。
图2是根据本发明的一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法中授时原理图。
图3是根据本发明的一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法中FPGA功能模块设计原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1至图3所示，一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在每个待测量设备或传感器安装处均配置一个本地授时及多接口数据采集传输装置，其中本地授时及多接口数据采集传输装置包括授时与数据解析单元、数据采集模块和数据传输模块，即数据采集模块配置在测量设备或传感器安装处；
S2、数据采集模块用于采集测量数据，由授时与数据解析单元获取授时数据，并整合测量数据形成完整的时戳测量数据，然后将该时戳测量数据发送至数据传输模块；
S3、数据传输模块将时戳测量数据发送至路由器，进而传输至服务器，由服务器获取多个待测量设备或传感器的同步测量数据。
本发明提供一种分布式的船舶运动参数与风浪流数据同步采集的方法，准确有效的运动数据测量依赖于高精度时间同步，鉴于测量装置/传感器安装位置（区域）比较复杂，同时输出接口与信号类型的多样性，本发明设计了本地授时及多接口数据采集传输装置，在每个测量设备或传感器安装处均配置一个该装置，从而在获取信号的第一时间为每个数据授时，装置配置北斗/GPS双系统模块，可根据情况选择接入哪个系统，授时与数据解析单元从卫星接收模块获取UTC时间及PPS信号,通过计算和处理取得授时数据，同时解析由串口或模拟量接口获取的测量设备/传感器的测量数据，将时戳和测量数据融合打包发送至以太网通讯模块，以WIFI或有线方式发送至路由器，进而服务器获取同步测量数据，通过上述结构保证了在卫星接收模块由于外部干扰或自身原因导致的失步的情况下授时数据精准性，满足无法获取卫星信号的气候条件下数据采集工作的准确同步授时，实现全天候数据同步采集，卫星授时结合本地授时的双授时模式可实现全天候授时，不受天气状况的影响，两种授时模式可自动无缝切换，确保数据授时的完整性；同时电源分配模块可在线更换锂电池，确保测量设备及数据采集装置不间断工作，也解决了现场布线与安装的受限问题。
如图1至图3所示，授时与数据解析单元包括微处理器（MCU）、卫星接收模块和FPGA功能模块，微处理器上具备串口和模拟量接口，卫星接收模块通过串口输出UTC时间和PPS脉冲信号，FPGA功能模块用于接收PPS脉冲信号并转化为基准秒脉冲信号传输至所述微处理器，FPGA功能模块由恒温晶振提供采样脉冲。
如图2和图3所示，FPGA功能模块包括秒周期计算模块、秒周期存储模块、卫星信号检测模块和秒脉冲生产模块，秒周期计算模块分别与秒周期存储模块和秒脉冲生产模块电连接，秒周期存储模块与卫星信号检测模块电连接，卫星信号检测模块与秒脉冲生产模块电连接，秒脉冲生产模块与微处理器电连接，其中FPGA功能模块采用高性能经济型的FPGA芯片如赛灵思Virtex 6 CXT 系列XC6VCX75T-1FFG784C芯片，需要理解的是，秒周期计算模块利用恒温晶振的频率对卫星接收模块的PPS信号连续10个周期进行计数，计算PPS的秒周期数值，并存入秒周期存储模块，该秒周期数值与PPS信号的下一周期计数值相加求平均值，并与秒周期存储模块内数据进行比较，若差值在允许范围内（取决于晶振频率），发送秒周期数值至秒脉冲生成模块，卫星信号检测模块对PPS信号每个周期做计数，并与秒周期存储模块内的秒周期数据进行比较，若该差值超出允许范围（取决于晶振频率），则将秒周期存储模块数据发送给秒脉冲生成模块，依次作为秒脉冲生成基准，秒脉冲生成模块发送基准秒脉冲至微处理器作为计时基准脉冲。
如图1所示，微处理器采用高性能、低成本、低功耗的意法半导体STM32F103C8T6，处理卫星接收模块通过串口发送的时间数据。
如图1和图2所示，恒温晶振如ABRACON 10MHz A0C2012XAJC-10.0000C，为FPGA功能模块的满足微秒级精度脉冲信号提供支持。
如图1所示，数据采集模块上具备串口通信数据接口和模拟量数据接口。
如图1所示，数据传输模块采用支持串口-以太网-无线网的嵌入式网络模块，如海凌科电子HLK-RM04，微处理器将融合时戳信息的测量数据发送至网络模块，通过WIFI或以太网发送至数据传输服务器，采用无线及有线以太网通讯方式，适应复杂的现场安装环境，从而保障有效的数据通讯链路。
如图1所示，卫星接收模块采用北斗/GPS双系统模块，如诺瓦泰OEM615，通过串口输出UTC时间，以及PPS脉冲信号。
如图1所示，本地授时及多接口数据采集传输装置还包括供电模块，供电模块包括顺序电连接的充电接口、锂电池和电源分配模块，电源分配模块用于对本地授时及多接口数据采集传输装置内需电部件提供电力支持，电源分配模块可在线更换锂电池，确保测量设备及数据采集装置不间断工作，也解决了现场布线与安装的受限问题，避免了现场布线难及线缆损伤危险。
如图1至图3所示，本发明方法的使用过程如下：
微处理器通过串口接收卫星接收模块发送NMEA0183协议语句获取UTC时间（世界协调时间），卫星接收模块发送PPS脉冲给FPGA功能模块作为基准脉冲信号，恒温晶振为FPGA功能模块提供采样脉冲，FPGAFPGA功能模块发送μs精度的秒脉冲至微处理器，微处理器通过内置恒温晶振实现软件计时，整合接收的UTC时间形成完整的时戳数据，再将串口或模拟量端口获取测量设备/传感器数据与时戳数据融合打包发送至以太网模块。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在每个待测量设备或传感器安装处均配置一个本地授时及多接口数据采集传输装置，其中所述本地授时及多接口数据采集传输装置包括授时与数据解析单元、数据采集模块和数据传输模块，即所述数据采集模块配置在测量设备或传感器安装处；
S2、所述数据采集模块用于采集测量数据，由所述授时与数据解析单元获取授时数据，并整合所述测量数据形成完整的时戳测量数据，然后将该时戳测量数据发送至所述数据传输模块；
S3、所述数据传输模块将所述时戳测量数据发送至路由器，进而传输至服务器，由所述服务器获取多个待测量设备或传感器的同步测量数据。
2.根据权利要求1所述的一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法，其特征在于，所述授时与数据解析单元包括微处理器、卫星接收模块和FPGA功能模块，所述微处理器上具备串口和模拟量接口，所述卫星接收模块通过串口输出UTC时间和PPS脉冲信号，所述FPGA功能模块用于接收PPS脉冲信号并转化为基准秒脉冲信号传输至所述微处理器，所述FPGA功能模块由恒温晶振提供采样脉冲。
3.根据权利要求2所述的一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法，其特征在于，所述FPGA功能模块包括秒周期计算模块、秒周期存储模块、卫星信号检测模块和秒脉冲生产模块，所述秒周期计算模块分别与所述秒周期存储模块和所述秒脉冲生产模块电连接，所述秒周期存储模块与所述卫星信号检测模块电连接，所述卫星信号检测模块与所述秒脉冲生产模块电连接，所述秒脉冲生产模块与所述微处理器电连接。
4.根据权利要求2所述的一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法，其特征在于，所述微处理器为意法半导体的STM32F103C8T6。
5.根据权利要求3所述的一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法，其特征在于，所述秒周期计算模块利用所述恒温晶振的频率对所述卫星接收模块的PPS信号连续10个周期进行计数，计算PPS的秒周期数值，并存入所述秒周期存储模块，该秒周期数值与PPS信号的下一周期计数值相加求平均值，并与所述秒周期存储模块内数据进行比较，若差值在允许范围内，发送秒周期数值至所述秒脉冲生成模块，所述卫星信号检测模块对PPS信号每个周期做计数，并与所述秒周期存储模块内的秒周期数据进行比较，若该差值超出允许范围，则将所述秒周期存储模块数据发送给所述秒脉冲生成模块，依次作为秒脉冲生成基准，所述秒脉冲生成模块发送基准秒脉冲至所述微处理器作为计时基准脉冲。
6.根据权利要求1所述的一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法，其特征在于，所述数据采集模块上具备串口通信数据接口和模拟量数据接口。
7.根据权利要求1所述的一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法，其特征在于，所述数据传输模块采用支持串口-以太网-无线网的嵌入式网络模块。
8.根据权利要求2所述的一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法，其特征在于，所述卫星接收模块采用北斗/GPS双系统模块。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种船舶运动参数与风浪流数据同步采集方法，其特征在于，所述本地授时及多接口数据采集传输装置还包括供电模块，所述供电模块包括顺序电连接的充电接口、锂电池和电源分配模块，所述电源分配模块用于对所述本地授时及多接口数据采集传输装置内需电部件提供电力支持。
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