CN217063748U - 一种信号同步系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种信号同步系统。信号同步系统包括处理终端、传感器和通信网络交换机。所述处理终端通过配置的第一通信网络接口与所述通信网络交换机电气连接，至少两个所述传感器通过配置的第二通信网络接口与所述通信网络交换机电气连接。所述处理终端和所述传感器通过通信网络接口与同一所述通信网络交换机电气连接实现时钟同步，误差控制在10ns以内。

Description

一种信号同步系统

技术领域

本实用新型涉及信号同步技术领域，尤其涉及一种信号同步系统。

背景技术

传感器的大量使用产生大量的检测信号，检测信号具备时效性，并且多个联动使用的传感器需要配合使用后才能够保证检测的准确性，因此需要对传感器的检测信号进行同步。现有的传感器同步方法是设备联网后，本地时间和UTC时间进行对比，从而为每个传感器分配一个UTC时间，数据采集终端根据每个传感器UTC时间同步时钟信号。当有大量传感器时，仅同步所有设备的UTC时间就会话配大量时间。

现有技术中如公开号为CN206541145U的专利文献所提出的一种多通道信号同步采集系统。系统包括电源模块、FPGA单元、ARM处理器单元及多片多通道ADC单元，所述ARM处理器单元的输入端与FPGA单元的输出端电连接，所述FPGA单元的输入端与ADC单元的输入端电连接。通过24 路信号的同步采集，单路采样率最高支持144KHz，采样精度最高支持24位；达到对各个通道设置不同采样率，支持同时对多种传感器不同采样率的要求，所有采集的信号通过以太网实时上传，保证了所有通道数据快速、实时地传输，避免漏传、掉数据，并保存到本地大容量SD储存卡，实现了数据的双备份,系统还包括USB接口、UART接口，用于扩展与其他模块或者设备的通信。

还例如公开号为CN204479969U的专利文献提供了一种信号同步系统，至少包括：终端模块，用于获取用户指令，并发送至控制模块对其进行控制；控制模块，用于接收用户指令，并根据用户指令实现对同步信号发生模块的控制；同步信号发生模块，用于根据接收到的用户指令产生多路同步脉冲信号，且同步脉冲信号与同步信号接收模块一一对应；同步信号接收模块，每个同步信号接收模块接收一路同步脉冲信号，以实现多个同步信号接收模块的信号同步，其除了能够精确地实现各个同步信号接收模块之间的同步，用户还可以实时监控同步脉冲信号的状态，同时，通过将同步脉冲信号以光信号的形式进行传输。

公开号为CN208316854U的专利提供了一种基于IEEE1588协议的电子警察环境光及补光同步控制器，包括：交流同步提取模块、同步控制子模块和同步信号缓冲模块。交流同步提取模块实现了对环境灯工作频率的采集，同步控制子模块可通过同步信号缓冲模块采集相机的工作频率，当该同步控制器工作时，首先由同步控制子模块采集相机的工作频率，然后通过 IEEE1588协议联网同步相机的工作频率、环境灯的工作频率和补光灯的工作频率，从而实现了相机、补光灯和环境灯的工作频率同步。

结合上述专利文献，现有技术存在以下缺点：

(1)需要额外增加硬件来完成信号同步，一般采用单独部署一根线的方式；

(2)一般的硬件同步，总线的速度无法达到要求，并不能达到真的时间同步，尤其是挂载很多台设备或设备之间距离较远，会存在较大延迟。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本实用新型时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本实用新型不具备这些现有技术的特征，相反本实用新型已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

实用新型内容

针对现有技术所提出的不足，本申请提出了一种信号同步系统。本申请提出的信号同步系统包括处理终端、传感器和通信网络交换机。所述处理终端通过配置的第一通信网络接口与所述通信网络交换机电气连接。至少两个所述传感器通过配置的第二通信网络接口与所述通信网络交换机电气连接。所述处理终端和所述传感器通过通信网络接口与同一所述通信网络交换机电气连接实现时钟同步。

根据一种优选实施方式，所述处理终端还包括主控制模块和第一网络芯片。所述主控制模块与所述第一网络芯片电气连接。所述第一网络芯片与所述第一通信网络接口电气连接。主控制模块能够对传感器采集的数据进行处理并且所述主控制模块产生使传感器与处理终端和/或其他传感器信号同步的同步指令。优选地，所述主控制模块通过RMII总线连接处理终端的第一网络芯片进而实现从第一网络芯片接收传感器采集的数据的同时能够将同步指令传递给传感器。

根据一种优选实施方式，所述传感器还包括传感单元、微处理模块和第二网络芯片。所述传感单元与所述微处理模块电气连接。所述微处理模块与所述第二网络芯片电气连接。所述第二网络芯片与所述第二通信网络接口电气连接。优选地，传感单元采集到目标数据后通过微处理模块和第二网络芯片将采集到的数据传输至处理终端。所述第二网络芯片通过所述第二通信网络接口接收同步指令，并将同步指令传输至微处理模块从而实现传感器与处理终端的时钟同步。

根据一种优选实施方式，所述处理终端的主控制模块设置有主控制芯片、主控制存储单元和主控制执行单元。所述主控制存储单元和所述主控制执行单元分别与所述主控制芯片电气连接。由主控制芯片、主控制存储单元和主控制执行单元构成的主控制模块能够对传感器采集的数据进行处理，并可以产生使得传感器和处理终端信号同步的同步指令。

根据一种优选实施方式，所述传感器的所述微处理模块设置有微处理芯片、微处理存储单元和微处理执行单元，所述微处理存储单元和所述微处理执行单元分别与所述微处理芯片电气连接。优选地，传感器通过设置微处理模块对传感单元采集到目标数据进行预处理能够减少处理终端的数据处理量从而提高系统的数据处理效率。所述传感器的所述微处理模块通过微处理芯片、微处理存储单元和微处理执行单元能够在接收到同步指令的情况下完成对传感器的信号同步。

根据一种优选实施方式，所述微处理模块与所述第二网络芯片通过两条线路实现电气连接，所述两条线路其中一条线路为通信总线，另一条为中断总线。通信总线用于将微处理模块预处理过后的数据传输至第二网络芯片进而传输至处理终端进行处理。优选地，中断总线用于传输第二网络芯片响应于“同步指令之收到”生成的使微处理模块进行时钟同步的信号。

根据一种优选实施方式，所述通信网络交换机包括电源系统。所述电源系统包括太阳能板、可充电电池和市电适配器中的一种或几种。独立电源供电的通信网络交换机能够在传递使得传感器与处理终端实现信号同步的同步指令和传递传感器所采集的数据时保证通信网络交换机正常工作。

根据一种优选实施方式，所述通信网络交换机设置有至少两个与所述第二通信网络接口电气连接的传感端口。所述通信网络交换机在接收到来自处理终端的同步指令的情况下能够通过通信网络线路同时向两个及以上的所述传感器上配置的第二通信网络接口传递同步指令，使得两个及以上的所述传感器与处理终端实现信号同步。

根据一种优选实施方式，所述通信网络交换机设置有至少一个与所述第一通信网络接口电气连接的终端端口。所述通信网络交换机在接收来处理终端通过第一通信网络接口发送的同步指令的同时能够将多个传感器采集的数据传输至一个处理终端。

根据一种优选实施方式，所述通信网络交换机利用网线分别与所述处理终端通过配置的第一通信网络接口和所述传感器通过配置的第二通信网络接口建立连接。优选地，所述处理终端配置的第一通信网络接口和所述传感器配置的第二通信网络接口除了用以传输信号同步指令以实现所述传感器和所述处理终端的信号同步外，还可以用于将所述传感器采集到的目标数据传输至所述处理终端进行处理。

本实用新型的有益技术效果：

第一，避免了在硬件上增加一根线，在需要大量传感器部署的场合减少传感器与采集设备的连线不仅可以提高系统的稳定性与可靠性，也便于现场施工与安装。

第二，真正同步，采用支持IEEE 1588高速通信网络供电接口，延时控制在10ns内，实现大批传感器信号同步。

第三，提高效率，采用其他技术，当外挂大批设备时，仅仅本地时间和 UTC时间同步就要消耗大量时间。本发明采用的时间同步，可以达到 100Mbps速度，即使外挂大量设备，仍可以以极高的速度同步信号。

第四，提高了精确度，传统技术设备过多或者距离过远时，总线速度低下，会存在信号延时，导致信号同步准确较低。

附图说明

图1是本实用新型的网络拓扑结构图；

图2是本实用新型的硬件架构图；

图3A是本实用新型的传感器中第二网络芯片与微处理模块一种优选实施方式的连接电路主图；

图3B是本实用新型的传感器中第二网络芯片与微处理模块一种优选实施方式的连接电路副图。

附图标记列表

100：信号同步系统；110：处理终端；111：主控制模块；112：第一网络芯片；113：第一通信网络接口；114：主控制存储单元；115：主控制执行单元；116：主控制芯片；120：传感器；121：传感单元；122：微处理模块；123：第二网络芯片；124：微处理存储单元；125：微处理执行单元；126：微处理芯片；127：第二通信网络接口；130：通信网络交换机。

具体实施方式

下面结合附图1至3B对本实用新型进行详细说明。

本申请提出了一种信号同步系统100。参见图1，本申请提出的信号同步系统包括处理终端110、传感器120和通信网络交换机130。参见图2，所述处理终端110通过配置的第一通信网络接口113与所述通信网络交换机130电气连接。至少两个所述传感器120通过配置的第二通信网络接口 127与所述通信网络交换机130电气连接。所述处理终端110和所述传感器120通过通信网络接口与同一所述通信网络交换机电气连接实现时钟同步。所述处理终端110还包括主控制模块111和第一网络芯片112。所述主控制模块111与所述第一网络芯片112电气连接。所述第一网络芯片112 与所述第一通信网络接口113电气连接。主控制模块111能够对传感器120 采集的数据进行处理并且所述主控制模块111产生使传感器120与处理终端110和/或其他传感器120信号同步的同步指令。优选地，所述主控制模块111通过RMII总线连接处理终端110的第一网络芯片112进而实现从第一网络芯片112接收传感器120采集的数据的同时能够将同步指令传递给传感器120。所述传感器120还包括传感单元121、微处理模块122和第二网络芯片123。所述传感单元121与所述微处理模块122电气连接。所述微处理模块122与所述第二网络芯片123电气连接。所述第二网络芯片123与所述第二通信网络接口127电气连接。优选地，传感单元121采集到目标数据后通过微处理模块122和第二网络芯片123将采集到的数据传输至处理终端110。所述第二网络芯片123通过所述第二通信网络接口 127接收同步指令，并将同步指令传输至微处理模块122从而实现传感器 120与处理终端110的时钟同步。优选地，第一网络芯片112和第二网络芯片123均支持IEEE 15888协议信号传递。IEEE 1588网络测控系统精确时钟同步协议PTP(PrecisionTime Protocol)是一种对标准以太网终端设备进行时间和频率同步的协议。本实用新型的通信网络接口采用支持IEEE 1588协议的以太网供电接口，通信速度高达100Mbps，在传感器高速数据采集的同时实现了信号同步。第一通信网络接口113和第二通信网络接口 127可以采用支持IEEE 1588协议的高速PoE接口。第一网络芯片112在接收到主控制模块111产生的使得传感器120和处理终端110信号同步的同步指令的情况下，通过第一通信网络接口113向传感器120传递同步指令实现传感器120和处理终端110的信号同步。

优选地，所述处理终端110的主控制模块111设置有主控制芯片116、主控制存储单元114和主控制执行单元115。所述主控制存储单元114和所述主控制执行单元115分别与所述主控制芯片116电气连接。由主控制芯片116、主控制存储单元114和主控制执行单元115构成的主控制模块 111能够对传感器120采集的数据进行处理。主控制模块111还可以产生使得传感器120和处理终端110信号同步的同步指令。所述传感器120的所述微处理模块122设置有微处理芯片126、微处理存储单元124和微处理执行单元125，所述微处理存储单元124和所述微处理执行单元125分别与所述微处理芯片126电气连接。优选地，传感器120通过设置微处理模块122对传感单元121采集到目标数据进行预处理能够减少处理终端 110的数据处理量从而提高系统的数据处理效率。所述传感器120的所述微处理模块122通过微处理芯片126、微处理存储单元124和微处理执行单元125能够在接收到同步指令的情况下完成对传感器120的信号同步。

所述微处理模块122与所述第二网络芯片123通过两条线路实现电气连接，所述两条线路其中一条线路为通信总线，另一条为中断总线。通信总线用于将微处理模块122预处理过后的数据传输至第二网络芯片123进而传输至处理终端110进行处理。优选地，通信总线可以是QSPI总线。优选地，中断总线用于传输第二网络芯片123响应于“同步指令之收到”生成的使微处理模块122进行时钟同步的信号。优选地，第一网络芯片112可以是以太网PHY芯片。优选地，第二网络芯片123可以是以太网MAC&PHY 芯片。

所述通信网络交换机130包括电源系统。所述电源系统包括太阳能板、可充电电池和市电适配器中的一种或几种。独立电源供电的通信网络交换机 130能够在传递使得传感器120与处理终端110实现信号同步的同步指令和传递传感器120所采集的数据时保证通信网络交换机130正常工作。

所述通信网络交换机130设置有至少两个与所述第二通信网络接口 127电气连接的传感端口。所述通信网络交换机130在接收到来自处理终端110的同步指令的情况下能够通过通信网络线路同时向两个及以上的所述传感器120上配置的第二通信网络接口127传递同步指令，使得两个及以上的所述传感器120与处理终端110实现信号同步。

所述通信网络交换机130设置有至少一个与所述第一通信网络接口 113电气连接的终端端口。所述通信网络交换机130在接收来处理终端110 通过第一通信网络接口113发送的同步指令的同时能够将多个传感器120 采集的数据传输至一个处理终端110。

所述通信网络交换机130利用网线分别与所述处理终端110通过配置的第一通信网络接口113和所述传感器120通过配置的第二通信网络接口 127建立连接。优选地，网线可以是常规的RJ45网线。优选地，所述处理终端110配置的第一通信网络接口113和所述传感器120配置的第二通信网络接口127除了用以传输信号同步指令以实现所述传感器120和所述处理终端110的信号同步外，还可以用于将所述传感器120采集到的目标数据传输至所述处理终端110进行处理。

优选地，传感单元121可以通过RMII总线与微处理模块122连接。优选地，传感单元121采集到目标数据后通过微处理模块122和第二网络芯片123将采集到的数据传输至处理终端110。为保证处理终端110在对传感单元121所采集数据进行处理时的时间准确性，传感器120和处理终端 110需要保证信号同步。第二网络芯片123基于同步指令产生中断信号并通过与微处理模块122连接的支持中断的IO口将中断信号传递给微处理模块122，微处理模块122通过中断信号与主控制模块111时间同步。

优选地，处理终端110的主控制模块111设置有主控制芯片116、主控制存储单元114和主控制执行单元115。由主控制芯片116、主控制存储单元114和主控制执行单元115构成的主控制模块111能够对传感器 120采集的数据进行处理，并可以产生使得传感器120和处理终端110信号同步的同步指令。

主控制芯片116可以是iMX6。主控制存储单元114可以是DDR存储单元。主控制执行单元115可以是FLASH。

优选地，传感器120的微处理模块122设置有微处理芯片126、微处理存储单元124和微处理执行单元125。传感器120的微处理模块122通过微处理芯片126、微处理存储单元124和微处理执行单元125能够在接收到同步指令的情况下完成对传感器120的信号同步。优选地，微控制芯片 126可以是STM32。微处理存储单元124可以是SDRAM存储单元。微处理执行单元125可以是FLASH。

优选地，处理终端110的第一网络芯片112与处理终端110上配置的第一通信网络接口113采用支持IEEE 1588高速PoE(Power Over Ethernet，网线供电,同一根网线上既可以传输数据又可以传输电力)接口。第一网络芯片112在接收到主控制模块111产生的使得传感器120和处理终端110信号同步的同步指令的情况下，通过第一通信网络接口113向传感器120传递同步指令实现传感器120和处理终端110的信号同步。优选地，第二网络芯片123可以是LAN9250。

优选地，传感器120的第二网络芯片与传感器120上配置的第二通信网络接口127建立电信号连接。传感器120的第二网络芯片123通过第二通信网络接口127接收使得传感器120和处理终端110信号同步的同步指令。第二网络芯片123在接收到同步指令的情况下产生中断信号并通过与微处理模块122连接的支持中断的IO口将中断信号传递给微处理模块122，微处理模块122通过中断信号与主控制模块111时间同步。

参见图2、图3A与图3B，传感单元121通过接口连接至微处理模块 122(例如STM32单片机)再通过微处理模块122的QSPI协议(Quad Serial Peripheral Interface队列串行外围接口协议)端口连接第二网络芯片123，第二网络芯片123通过第二通信网络接口127连接到外界的通信网络交换机130，通信网络交换机130再连接到处理终端110的第一通信网络接口 113进而连接至第一网络芯片112，第一网络芯片112通过RMII总线与主控制模块111连接。

处理终端110的第一网络芯片112和传感器120的第二网络芯片均支持IEEE 1588时间同步协议。需要时间同步时，主控制模块111生成同步指令并依次经第一网络芯片112，第一通信网络接口113，通信网络交换机 130，第二通信网络接口127发送至传感器120的第二网络芯片123。此时传感器120的第二网络芯片123会产生IEEE 1588中断信号通知传感器123的STM32芯片进行时间同步，将误差控制在10ns以内。

如图3A所示为传感器120同步电路，使用的芯片为LAN9250，该芯片为支持IEEE1588协议的MAC及PHY层芯片。图中ETH_TXN、ETH_TXP、 ETH_RXN、ETH_RXP这四个管脚连接到外界的通信网络交换机130进而连接接到处理终端110的主控制模块111，这4个管脚分别对应RJ45网线的 1、2、3、6四根线，支持PoE功能，这4根线既提供电源，又能传输数据。

优选地，第二网络芯片127和STM32单片机的通信是由QSPI总线承担的。该总线包括CS、CLK、IO0、IO1、IO2、IO3，共6根线，速度快，可以将数据传输误差控制在10ns内。

MAC_INT管脚为接收到IEEE 1588同步信号后产生中断信号的管脚， MAC_INT是连接到STM32上一个支持中断的普通IO口，作用仅为将第二网络芯片127在接收到IEEE 1588同步信号后产生的中断信号传输至单片机，通知单片机进行时间同步。RST#管脚是连接到单片机的普通IO口，仅起到复位第二网络芯片127的作用。

优选地，通信网络线路中设置的通信网络交换机130能够同时与两个及以上的传感器120上配置的第二通信网络接口127建立连接。通信网络交换机130在接收到来自处理终端110的同步指令的情况下能够通过通信网络线路同时向两个及以上的传感器120上配置的第二通信网络接口127传递同步指令，使得两个及以上的传感器120与处理终端110实现信号同步。

优选地，通信网络线路中设置的通信网络交换机130采用独立电源供电。独立电源供电的通信网络交换机130能够在传递使得传感器120与处理终端110实现信号同步的同步指令和传递传感器120所采集的数据时保证通信网络交换机130正常工作。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本实用新型公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本实用新型的公开范围并落入本实用新型的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本实用新型说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种信号同步系统，其特征在于，包括处理终端(110)、传感器(120)和通信网络交换机(130)，所述处理终端(110)通过配置的第一通信网络接口(113)与所述通信网络交换机(130)电气连接，至少两个所述传感器(120)通过配置的第二通信网络接口(127)与所述通信网络交换机(130)电气连接；

所述处理终端(110)和所述传感器(120)通过通信网络接口与同一所述通信网络交换机(130)电气连接实现时钟同步。

2.根据权利要求1所述的信号同步系统，其特征在于，所述处理终端(110)还包括主控制模块(111)和第一网络芯片(112)，所述主控制模块(111)与所述第一网络芯片(112)电气连接，所述第一网络芯片(112)与所述第一通信网络接口(113)电气连接。

3.根据权利要求2所述的信号同步系统，其特征在于，所述传感器(120)还包括传感单元(121)、微处理模块(122)和第二网络芯片(123)，所述传感单元(121)与所述微处理模块(122)电气连接，所述微处理模块(122)与所述第二网络芯片(123)电气连接，所述第二网络芯片(123)与所述第二通信网络接口(127)电气连接。

4.根据权利要求3所述的信号同步系统，其特征在于，所述处理终端(110)的主控制模块(111)设置有主控制芯片(116)、主控制存储单元(114)和主控制执行单元(115)，所述主控制存储单元(114)和所述主控制执行单元(115)分别与所述主控制芯片(116)电气连接。

5.根据权利要求4所述的信号同步系统，其特征在于，所述传感器(120)的所述微处理模块(122)设置有微处理芯片(126)、微处理存储单元(124)和微处理执行单元(125)，所述微处理存储单元(124)和所述微处理执行单元(125)分别与所述微处理芯片(126)电气连接。

6.根据权利要求5所述的信号同步系统，其特征在于，所述微处理模块(122)与所述第二网络芯片(123)通过两条线路实现电气连接，所述两条线路其中一条线路为通信总线，另一条为中断总线。

7.根据权利要求6所述的信号同步系统，其特征在于，所述通信网络交换机(130)包括电源系统，所述电源系统包括太阳能板、可充电电池和市电适配器中的一种或几种。

8.根据权利要求7所述的信号同步系统，其特征在于，所述通信网络交换机(130)设置有至少两个与所述第二通信网络接口(127)电气连接的传感端口。

9.根据权利要求8所述的信号同步系统，其特征在于，所述通信网络交换机(130)设置有至少一个与所述第一通信网络接口(113)电气连接的终端端口。

10.根据权利要求9所述的信号同步系统，其特征在于，所述通信网络交换机(130)利用网线分别与所述处理终端(110)通过配置的第一通信网络接口(113)和所述传感器(120)通过配置的第二通信网络接口(127)建立连接。

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