CN201387609Y

CN201387609Y - 定位和时钟同步式多通道数据采集装置

Info

Publication number: CN201387609Y
Application number: CN200920085047U
Authority: CN
Inventors: 廖成旺; 邓涛; 丁炜; 王浩
Original assignee: Institute of Earthquake of China Earthquake Administration
Current assignee: Institute of Earthquake of China Earthquake Administration
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2019-04-17

Abstract

本实用新型涉及定位和时钟同步式多通道数据采集装置，该装置设有单频测量型GPS模块、时钟同步模块、数据转换器以及单片机、ARM处理器、无线通信模块、通信接口和液晶显示屏组成，其中：GPS模块、时钟同步模块、数据转换器、单片机和ARM处理器通过数据线依次相连，ARM处理器的输入端通过数据线与GPS模块的输出端相连，ARM处理器的输出端通过数据线分别与无线通信模块、通信接口和液晶显示屏相连。本实用新型用于台阵观测时可以避免长电缆连接的问题；记录振动信息的同时，记录了观测点的定位信息；既可以在观测前通过实时定位布设台阵，也可以事后处理，全面掌握台阵的位置信息；还具有成本低、应用广和结构一体化集成的优势。

Description

定位和时钟同步式多通道数据采集装置

技术领域

本实用新型涉及工程振动测试中数据采集领域，特别是涉及一种定位和时钟同步式多通道数据采集装置。

背景技术

当今社会已进入数字化时代，计算机、网络以及通信技术的迅猛发展促使各行各业的信息采集与流通逐步向数字形式转化。数据采集器在其中扮演重要角色。它将各种应用情况下的模拟输出转化为数字输出，支持存储、传输，便于计算机处理。在工程振动测试领域，为了探明一个区域里的信息，往往将众多拾振器排成台阵，同时对某个场的信号进行同时观测，因此要对各个拾振器信号的采集进行时钟同步。而且，除了数字化的振动信息外，往往还要求知道各个拾振器之间或拾振器与源之间的相对位置信息。每个拾振器往往还有三个方向(一个垂直和两个正交的水平方向)，因此要求每个数据采集器至少具有三个通道，称之为多通道数据采集器。

目前，为了达到整个台阵时间同步的目的，往往采用更多通道的数据采集器，一个数据采集器连接所有的拾振器，这样各个通道之间的时间同步可以用数据采集器本身产生的同步脉冲解决，不需要借助外来时钟，但是拾振器与数据采集器之间需要用电缆连接，当拾振器数量增多或台阵范围增大，将带来电缆不便携带、作业负担加重和线损影响信号质量等问题。为了获得台阵中拾振器之间或拾振器与源之间的相对位置信息，简单的做法是用皮尺量的方式，更精确的话需要借助测绘仪器，要求拾振器之间没有阻挡和彼此之间的距离也不能太大，否则便不易或不能进行。但是，随着工程振动测试应用领域的推广，大距离(公里量级)、有阻挡(比如在城市的建筑之间或同一建筑上下)的应用情况变得普遍。如何在这种情况下有效地获知空间场的信息，成为一个重要的问题。因此，在数据采集的同时有效地解决时空场信息的获取问题，是工程振动测试领域现实的需求。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种实现具有定位和时钟同步功能的多通道数据采集装置，应用于既要进行多通道数据采集又要求进行时钟同步和提供精确相对位置信息的工程振动测试领域。

本实用新型解决其技术方案采用的技术方案是：设有GPS模块、时钟同步模块、数据转换器、单片机、ARM处理器、无线通信模块、通信接口和液晶显示屏。其中：所述GPS模块、时钟同步模块、数据转换器、单片机和ARM处理器通过数据线依次相连，ARM处理器的输入端通过数据线与GPS模块的输出端相连，ARM处理器的输出端通过数据线分别与无线通信模块、通信接口和液晶显示屏相连。

本实用新型具有以下的主要的优点：

其一.利用GPS时钟对各数据采集器进行时钟同步，可以采用每个测点一个数据采集器和拾振器的作业方式，台阵中的各测点相对独立，避免了长电缆连接的问题。

其二.记录振动信息的同时，记录了观测点的定位信息。既可以在观测前通过实时定位布设台阵，也可以事后处理，全面掌握台阵的位置信息。

其三.支持实时动态差分定位，而且采用的是测量型单频GPS模块，既具有成本的优势，也有结构一体化集成的优势。

其四.应用广：由于是一种结合GPS技术的多通道数据采集系统，具备数据采集、时钟同步和精密定位三种功能，因此，利用本系统在进行数据采集的同时可以获得空间位置场的信息，从而在特定要求的领域如工程振动测试中对时钟同步和相对定位具有较高精度要求的领域，如微动台阵勘探、环境振动噪声检测、爆破振动观测和振型分析等场合都可获得应用。具体如下：

用于微动勘探法反演地下深部构造：日本是应用微动勘探较多的国家，我国的微动应用研究起步较晚，所用的仪器多为老式仪器，灵敏度低，记录窗长过短，线损严重，没有共同的时间基准，难于开展台阵观测，只能进行简单频域分析，了解地表浅层的卓越周期，不能进行频域和时域的同步分析来了解微动波不同时段、不同成分的群速度和相速度，也就不可能反演地下深部构造特征，也就不能利用微动来进行地下构造探测。该发明可以克服老式仪器的缺点，为微动探测地下深部构造提供重要的设备支持，促进微动方法在我国的广泛应用。

用于环境振动噪声观测：随着改革开放的深入，越来越多的外资投向中国。高新企业的许多精密仪器对环境振动背景噪声提出较高要求。利用该系统，可三维布设台阵观测，分析规划出整个地区的等背景振动噪声图，为当地政府合理规划使用土地提供科学的依据。

用于爆破振动观测：目前，国内爆破振动观测，由于受老式仪器的限制，很难进行三维台阵观测，该系统可以突破这个限制，可不受场地，定时，线损的限制，三维布设台阵观测，更准确、科学地评价爆破振动产生的影响场，为矿山，建设单位的安全爆破提供科学的依据。

用于振型分析：我国是地震灾害较严重的国家，防震减灾是一项重大国策，该系统可在大坝、桥梁、高层建筑等生命线重大工程上布设台阵，克服老式仪器难于分析得到结构振型特征的缺点，对生命线重大工程的防震减灾的研究具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理方框图。

图2为GPS时钟同步原理图。

图3为差分定位系统工作方式示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

本实用新型提供的定位和时钟同步式多通道数据采集系统，其结构如图1所示：设有GPS模块、时钟同步模块、数据转换器、单片机、ARM处理器、无线通信模块、通信接口和液晶显示屏。其中：所述GPS模块、时钟同步模块、数据转换器、单片机和ARM处理器通过数据线依次相连，ARM处理器的输入端通过数据线与GPS模块的输出端相连，ARM处理器的输出端通过数据线分别与无线通信模块、通信接口和液晶显示屏相连。

所述的数据转换器是以∑-Δ型24位ADC转换器作为多通道数据采集的AD转换器。数据转换器的数据转换控制和转换数据读取由一个单片机执行，数据通过串行口发送给ARM处理器进行存储、通信和显示。

所述的GPS模块是单频测量型GPS OEM模块，提供高精度的时钟秒脉冲(PPS)和定位测量信息，该测量信息由ARM处理器通过串行口读取、进行存储、通信和显示。该测量信息既可以用于事后定位，也可以通过无线通信用于实时定位。

所述的时钟同步模块，其利用GPS秒脉冲产生准确锁定频率的频率信号和同步于GPS秒脉冲上升沿的同步脉冲，两者输出至数据转换器进行时钟同步。时钟同步模块的结构如图2所示，包含压控晶体振荡器、CPLD和数字模拟转换器和单片机，它接受GPS模块秒脉冲输入，通过CPLD对压控晶体振荡器的频率进行测量，由单片机通过数字模拟转换器或本身的脉宽调制(PWM)方式对压控晶体振荡器的频率输出进行伺服控制并产生同步脉冲，同步脉冲和压控晶体振荡器的频率输出至数据转换器进行时钟同步。

所述的ARM处理器以嵌入式Linux为软件平台，进行采集和定位数据的管理，包括存储、通信和显示。

所述的单片机可以采用PIC18F452单片机，所述的ARM处理器可以采用S3C2410处理器，所述的GPS模块可以采用SuperStar II模块。

本实用新型数据采集的多通道之间和多个数据采集器之间时钟同步和定位的过程是：每通道采用独立的24位∑-Δ型AD转换器和微处理器系统实现高精度的多通道数据采集，利用其数据采集时钟决定于外部频率和外部同步脉冲的特性，嵌入测量型单频GPS模块，通过其提供的高精度秒脉冲(PPS)反馈控制压控振荡器的振荡频率和产生同步脉冲实现数据采集的高精度时钟同步；同时利用其提供的伪距、载波相位和卫星星历等定位测量信息实现单点定位、伪距差分和载波相位差分等不同方式下精度从几十米、几米到厘米级的定位功能。此外，嵌入无线射频通信模块，不仅支持事后定位，也支持实时差分定位。

本实用新型实现定位和时钟同步式多通道数据采集，具体过程是：

(1)数据采集：每通道采用独立的24位∑-Δ型AD转换器和微处理器系统实现高精度的多通道数据采集，其数据采集同步取决于外部频率信号和同步脉冲；

∑-Δ型AD转换器的特点是以低位数码和高频过采样的方式来获得高位数码的转换结果。造成采集数据时钟不同步的因素有两个：过采样频率和AD转换器内模拟调制器与数字抽取滤波器的同步状态。过采样频率信号由外部提供的频率信号产生，外频率不等或相等但不同相引起采样时刻的不同步，即输入给模拟调制器与数字抽取滤波器处理的是不同时刻的数据，模拟调制器与数字抽取滤波器的状态不同引起数据处理的不同步，即产生的结果对应不同的时刻。由于外频率很高(10MHz)，外频率相等时因不同相造成的时钟误差对数据采集的时钟同步精度要求来说可以忽略，因此数据采集之间保证时钟同步的关键是使过外频率相等和令模拟调制器与数字抽取滤波器处于同步状态。AD转换器有一个同步输入引脚来对模拟调制器与数字抽取滤波器进行同步，对于同一数据采集器的不同通道来说，内部产生的同一信号便可使各AD转换器的状态同步，但对于不同数据采集器来说，则需要外部的同一时间基准源来进行同步。

(2)时钟同步：通过GPS秒脉冲控制产生频率一致的频率信号作为AD转换器的外部频率，并且当频率锁定后产生同步于GPS秒脉冲上升沿的同步脉冲。

GPS是上世纪美国花费巨资建立起来的全球定位系统，其不仅能全天候地提供空间位置信息，而且能提供同步于UTC的时钟，GPS OEM的秒脉冲(PPS)精度可达亚微秒级，是目前一种容易获得的高精度的时间基准。采用GPS时钟来进行数据采集的时钟同步包括两个方面，一是产生频率相等的外频率信号，二是在同一基准下的时刻对AD转换器的状态进行同步。

利用GPS时钟来产生频率相等的外频率信号的原理如图2所示。在GPS PPS的控制下，对压控振荡器的输出频率进行测量，测量结果被单片机读取，与某一设定的频率值进行比较，根据频率差值调整压控振荡器的电压控制量，使压控振荡器的频率锁定于设定的频率上，该频率输出至AD转换器，作为输入频率，使各数据采集器各AD转换器的采样频率相等。电压控制量可由DA转换器或脉宽调制(PWM)加低通滤波器的方式产生。当AD转换器的输入频率锁定后，在GPS PPS的某一个上升沿时刻，产生一个AD转换器的同步脉冲，最终将使各个采集器处于高精度时钟同步的工作状态。

(3)定位：嵌入单频测量型GPS OEM模块，请求并管理(存储、通信)其定位测量信息(伪距、载波相位和卫星星历等)，进行事后解算处理或通过无线通信进行实时差分定位。

对于事后定位方式，测量后提取存储的定位信息，用专用软件或转换为RINEX格式后用通用GPS基线解算软件和网平差软件进行处理，可以以厘米甚至毫米级的精度获得各测点之间的相对位置信息。对于实时定位方式，则需要另一套GPS定位和无线通信系统，与采集器构成差分模式，才能达到较好的定位精度，如图3所示。

图3中，计算机一侧位置固定，采集器可以移动。计算机一侧的GPS模块和无线通信模块与采集器中的型号相同，并与采集器同时工作。在实时差分模式下，采集器将GPS定位信息通过无线通信发送给计算机，计算机同时收集本侧GPS模块的定位信息，进行差分处理。差分处理结果无线发送给采集器进行显示。指导采集器移动至定位目标。差分处理可分伪距差分和载波相位差分两种，前者数据处理过程相对简单，但精度较差，为米级。后者处理复杂，精度较高，可达到厘米级。

Claims

1.一种定位和时钟同步式多通道数据采集装置，设有GPS模块、时钟同步模块、数据转换器，其特征在于还设有单片机、ARM处理器、无线通信模块、通信接口和液晶显示屏，所述GPS模块、时钟同步模块、数据转换器、单片机和ARM处理器通过数据线依次相连，ARM处理器的输入端通过数据线与GPS模块的输出端相连，ARM处理器的输出端通过数据线分别与无线通信模块、通信接口和液晶显示屏相连。

2.根据权利要求1所述的定位和时钟同步式多通道数据采集装置，其特征是所述GPS模块为单频测量型GPS OEM模块。

3.根据权利要求1所述的定位和时钟同步式多通道数据采集装置，其特征是所述的数据转换器为∑-Δ型24位ADC转换器。

4.根据权利要求1所述的定位和时钟同步式多通道数据采集装置，其特征是所述的ARM处理器设有嵌入式Linux软件平台。

5.根据权利要求1所述的定位和时钟同步式多通道数据采集装置，其特征是所述的无线通信模块为射频无线通信模块或GPRS通信模块。