PL240658B1

PL240658B1 - Synchronization system for the acquisition of measurement data

Info

Publication number: PL240658B1
Application number: PL432034A
Authority: PL
Inventors: Aleksander Lisowiec; Paweł Michalski; Karol Makowiecki
Original assignee: Siec Badawcza Lukasiewicz Inst Tele I Radiotechniczny
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2022-05-16
Also published as: PL432034A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ synchronizacji akwi zycji danych pomiarowych.The subject of the invention is a synchronization system for the acquisition of measurement data.

W wielu dziedzinach wykorzystywane są dane pomiarowe z sensorów różnego rodzaju wielkości elektrycznych i nieelektrycznych. Przez sensor rozumie się przetwornik wielkości mierzonej na prąd elektryczny lub napięcie, połączony z układem akwizycji danych z sensora, czyli układem zamieniającym napięcie lub prąd na wartość liczbową zwaną daną, która może być dalej przesyłana w sposób przewodowy lub bezprzewodowo. W wielu przypadkach istotnym aspektem danych jest możliwość przyporządkowania im dokładnego znacznika czasu. Tak jest w przypadku synchrofazorów używanych do oceny stabilności sieci elektroenergetycznych. Synchrofazor jest to zespolona wartość napięcia w danym punkcie sieci energetycznej wraz ze znacznikiem czasu dowiązanym do skali UTC.In many fields, measurement data from sensors of various types of electrical and non-electrical quantities are used. A sensor is understood as a converter of the measured quantity into electric current or voltage, connected to the data acquisition system from the sensor, i.e. a system that converts voltage or current into a numerical value called data, which can be further transmitted in a wire or wireless way. In many cases, an important aspect of the data is the ability to assign them an exact time stamp. This is the case with synchrophasors used to assess the stability of power grids. Synchrophasor is a complex voltage value at a given point of the power grid with a time stamp related to the UTC scale.

Znanych jest szereg rozwiązań mających na celu uzyskanie danych pomiarowych zsynchronizowanych do przyjętego wzorca czasu. Przyjętą skalę czasu może wyznaczać stabilny generator i wtedy dane są zsynchronizowane między sobą w obrębie ograniczonego systemu. W znacznej części zastosowań dąży się do synchronizacji danych na znacznym obszarze, jak województwo czy kraj, i wówczas wzorcem czasu jest międzynarodowa skala czasu UTC, do której dostęp jest możliwy za pomocą systemów globalnej nawigacji satelitarnej, np. GPS, lub za pomocą infrastruktury telekomunikacyjnej. Ogólna zasada działania takich rozwiązań polega na tym, że układ akwizycji danych sensora, którym jest najczęściej przetwornik analogowo-cyfrowy, jest taktowany za pomocą impulsów próbkujących o częstotliwości i fazie dowiązanej do skali UTC. Dodatkowo do układu akwizycji danych sensora jest doprowadzany wzorcowy sygnał czasu, którego dodatnie zbocze jest dowiązane do czasu UTC (w postaci impulsu 1 pps generowanego za pomocą odbiornika satelitarnego systemu nawigacji satelitarnej (GPS, Glonass lub Galileo) lub za pomocą infrastruktury telekomunikacyjnej i protokołu PTP (IEEE 1588). Dowiązanie sygnału próbkującego do skali UTC gwarantuje, że napięcie na wyjściu czujnika sensora jest zamieniane na wartość liczbową i staje się daną pomiarową w ściśle określonych momentach czasu mających jednoznaczne odniesienie do skali UTC. Doprowadzenie wzorcowego sygnału czasu - impulsu 1 pps, umożliwia oznaczenie danych pomiarowych czasem dowiązanym do skali czasu UTC.A number of solutions are known to obtain measurement data synchronized to an adopted time pattern. The adopted timescale may be determined by a stable generator and then the data is synchronized with one another within the constrained system. In a significant part of applications, data is synchronized over a large area, such as a province or a country, and then the time reference is the international UTC time scale, which can be accessed by means of global satellite navigation systems, e.g. GPS, or by means of telecommunications infrastructure. The general principle of operation of such solutions is that the sensor data acquisition system, which is most often an analog-to-digital converter, is clocked with sampling pulses with a frequency and phase related to the UTC scale. In addition, a reference time signal is supplied to the sensor data acquisition system, the positive edge of which is related to UTC time (in the form of a 1 pps pulse generated by the satellite receiver of the satellite navigation system (GPS, Glonass or Galileo) or by the telecommunications infrastructure and the PTP protocol ( IEEE 1588). Binding the sampling signal to the UTC scale guarantees that the voltage at the sensor sensor output is converted to a numerical value and becomes the measurement data at precisely defined moments of time that have an unambiguous reference to the UTC scale. marking of measurement data with time related to the UTC time scale.

Opis patentowy nr US2019044780 zawiera opis układu, który zawiera odbiornik sygnału zewnętrznego oraz generator sygnału takiego samego typu jak sygnał zewnętrzny, wykorzystywanego wewnątrz układu. Układ detekcji różnicy faz między sygnałem zewnętrznym a sygnałem z generatora wyznacza poprawkę służącą do korekcji fazy generatora sygnału wewnętrznego.Patent description No. US2019044780 describes a system that includes an external signal receiver and a signal generator of the same type as the external signal used inside the system. The phase difference detection circuit between the external signal and the signal from the generator determines an correction for correcting the phase of the internal signal generator.

Opis patentowy nr US2019037515 opisuje system, w którym jednostka centralna przesyła do sensora zewnętrznego informację zawierającą znacznik czasu będącego czasem odniesienia jednostki centralnej. Znacznik ten służy następnie od oznaczania wyznaczonych wartości pomiarowych, przy czym transmitowane pakiety danych zawierają wartość przesunięcia w czasie między znacznikiem czasu pakietu i znacznikiem czasu pakietu zawierającego informację o czasie.The patent specification no. US2019037515 describes a system in which the central unit transmits to the external sensor information containing a time stamp being the reference time of the central unit. The tag then serves to mark the determined measurement values, the transmitted data packets having a time offset value between the packet time stamp and the time stamp of the packet including the time information.

Opis patentowy nr US201762537334P (US2019037507) zawiera opis systemu i metody bezprzewodowej synchronizacji jednostki centralnej przeznaczonej do wyznaczania parametrów elektrycznych. Metoda polega na próbkowaniu sygnału elektrycznego oraz wyznaczaniu; na podstawie próbek, znacznika czasu.Patent description No. US201762537334P (US2019037507) describes a system and method for wireless synchronization of a central unit designed to determine electrical parameters. The method consists in sampling the electrical signal and determining; based on samples, timestamp.

Opis patentowy nr US2018316432 opisuje system i metodę cyfrowej synchronizacji sygnału próbkującego między nadajnikiem i odbiornikiem odbieranego i transmitowanego sygnału. Opisywany układ zawiera cyfrowy interpolator sterowany przez układ kontroli czasu. Interpolator zawiera bufor próbek oraz układ filtra o niecałkowitej wartości opóźnienia czasowego.Patent description No. US2018316432 describes a system and method for digitally synchronizing a sampling signal between a transmitter and a receiver of a received and transmitted signal. The described system includes a digital interpolator controlled by a time control system. The interpolator contains a sample buffer and a filter system with a non-integer time delay value.

Opis patentowy nr US2018323794 opisuje układ synchronizacji szeregu przetworników wspólnym sygnałem zegarowym, przy czym pierwszy przetwornik odbiera sygnał synchronizujący z układu kontrolnego i każdy z przetworników zawiera układ synchronizacji wewnętrznego zegara oraz układ retransmisji sygnału synchronizującego.Patent description No. US2018323794 describes a circuit for synchronizing a series of converters with a common clock signal, the first converter receiving a synchronization signal from the control circuit, and each of the converters includes an internal clock synchronization circuit and a synchronization signal retransmission circuit.

Opis patentowy KR20180072359 opisuje układ, w którym sensor dokonuje predykcji czasu odbioru sygnału synchronizującego, dzięki czemu może odpowiednio wcześnie uruchomić akwizycję danych. Pozwala to uniknąć opóźnień związanych z przetwarzaniem sygnału synchronizującego i tym samym zwiększyć częstotliwość akwizycji danych.The patent description KR20180072359 describes a system in which the sensor predicts the time of receiving the synchronizing signal, thanks to which it can start data acquisition early. This avoids delays associated with the processing of the synchronizing signal and thus increases the frequency of data acquisition.

Opis patentowy CN201611249529 opisuje układ i metodę synchronizacji sygnałów, w której synchronizacja sygnału lokalnego dobywa się przez pomiar różnicy częstotliwości między sygnałem lokalnym a modulowanym częstotliwościowo sygnałem zewnętrznym.The patent description CN201611249529 describes a signal synchronization system and method, in which the synchronization of the local signal is selected by measuring the frequency difference between the local signal and the frequency-modulated external signal.

Znane jest też rozwiązanie objęte ochroną patentową nr PAT.227998, w którym sygnał o częstotliwości próbkującej jest generowany przez podział częstotliwości sygnału z generatora kwarcowegoThere is also a solution covered by patent protection No. PAT.227998, in which the signal with the sampling frequency is generated by dividing the frequency of the signal from the quartz generator

PL 240 658 B1 za pomocą licznika, który jest zerowany co 1 sekundę impulsem 1 pps z odbiornika GPS. Sygnał o częstotliwości próbkującej jest podawany bezpośrednio na wejście wyzwalające przetwornika analogowo-cyfrowego dokonującego akwizycji próbek sygnału mierzonego.By means of a counter that is reset to zero every 1 second by a pulse of 1 pps from the GPS receiver. The signal with the sampling frequency is fed directly to the triggering input of the analog-to-digital converter that acquires the samples of the measured signal.

Istniejące rozwiązania umożliwiają za pomocą jednego sygnału doprowadzonego do układu akwizycji danych sensora synchronizować jedynie momenty pobierania danych pomiarowych, natomiast do znakowania pobranych danych czasem jest wymagane doprowadzenie dodatkowego sygnału. W przypadku, gdy liczba sensorów, z których są pobierane dane, jest znaczna, wymaga to prowadzenia dodatkowych połączeń transmisyjnych, gdyż do każdego sensora należy doprowadzić sygnał znacznika czasu.The existing solutions make it possible to synchronize only the moments of collecting measurement data with one signal fed to the sensor data acquisition system, while for marking the downloaded data, it is sometimes required to supply an additional signal. In the event that the number of sensors from which data are collected is significant, it requires additional transmission connections, because each sensor must be provided with a time stamp signal.

Układ synchronizacji akwizycji danych pomiarowych według wynalazku składa się z układu generacji impulsów próbkujących, odbiornika danych, licznika impulsów wysokiej częstotliwości, układu komparatora stanu licznika, układu znakowania czasem oraz bufora odebranych danych. Na wejście synchronizujące układu generacji impulsów próbkujących jest podawany impuls znacznika czasu 1 pps, a wyjście układu generacji impulsów próbkujących jest wyprowadzone na wyjście układu synchronizacji akwizycji danych pomiarowych. Na wejścia odbiornika danych są podawane sygnały transmisji danych układów akwizycji danych sensorów. Impuls znacznika czasu 1 pps jest doprowadzony do wejścia zerującego licznika impulsów wysokiej częstotliwości, na którego wejście zegarowe jest podawany sygnał wielkiej częstotliwości, a którego wyjście równoległe jest połączone z wejściem układu komparatora stanu licznika. Wyjście informacyjne układu komparatora stanu licznika jest połączone z wejściem zapisu czasu układu znakowania danych czasem. Wejście danych układu znakowania czasem jest połączone z wyjściem danych odbiornika danych, natomiast wyjście układu znakowania czasem jest połączone z wejściem danych bufora odebranych danych.The measurement data acquisition synchronization system according to the invention consists of a sampling pulse generation circuit, a data receiver, a high frequency pulse counter, a counter state comparator circuit, a time stamping circuit, and a received data buffer. The 1 pps time stamp pulse is applied to the synchronizing input of the sampling pulse generation system, and the output of the sampling pulse generation system is led to the output of the measurement data acquisition synchronization system. Data transmission signals of sensor data acquisition systems are fed to the inputs of the data receiver. A 1 pps time stamp pulse is applied to the reset input of a high frequency pulse counter, the clock input of which is fed with a high frequency signal, and the parallel output of which is connected to the input of the counter state comparator circuit. The information output of the counter state comparator circuit is connected to the time record input of the time stamping circuit. The time stamping data input is connected to the data output of the data receiver, and the time stamping output is connected to the data input of the received data buffer.

Według wynalazku w układzie synchronizacji akwizycji danych pomiarowych impulsy sygnału próbkującego są wytwarzane przez układ generacji impulsów próbkujących, na którego wejście jest podawany impuls znacznika czasu 1 pps dowiązany do skali czasu UTC. Oznacza to, że wielokrotność okresu impulsów sygnału próbkującego jest równa 1 sekundzie UTC, a jedno z kolejnych dodatnich zboczy impulsów sygnału próbkującego pokrywa się w czasie z dodatnim zboczem impulsu znacznika czasu 1 pps. Impulsy sygnału próbkującego są podawane na wyjście układu synchronizacji akwizycji danych pomiarowych i służą do taktowania układów akwizycji danych sensorów. Wyjścia transmisji danych układów akwizycji danych sensorów są połączone z odbiornikiem danych układu synchronizacji akwizycji danych pomiarowych.According to the invention, in the measurement data acquisition synchronization system, the sampling signal pulses are generated by the sampling pulse generation circuit, which is fed with a 1 pps time stamp pulse related to the UTC time scale. This means that the multiple of the period of the sampling signal pulses is equal to 1 second UTC, and one of the successive positive edges of the sampling signal pulses coincides with the positive edge of the 1 pps time stamp pulse. The sampling signal pulses are fed to the output of the measurement data acquisition synchronization system and are used to clock the sensor data acquisition systems. The data transmission outputs of the sensor data acquisition systems are connected with the data receiver of the measurement data acquisition synchronization system.

Zaletą układu według wynalazku jest to, że do układu akwizycji danych każdego sensora jest doprowadzony tylko jeden sygnał synchronizujący w postaci impulsów sygnału próbkującego, a przyporządkowanie znacznika czasu próbce cyfrowej odbywa się w układzie synchronizacji akwizycji danych pomiarowych, który jest wspólny dla wszystkich sensorów. Dzięki temu minimalizowana jest liczba połączeń między zbiorem sensorów a układem odbioru danych z tych sensorów.The advantage of the system according to the invention is that only one synchronization signal in the form of sampling signal pulses is fed to the data acquisition system of each sensor, and the assignment of the time stamp to the digital sample takes place in the measurement data acquisition synchronization system, which is common to all sensors. As a result, the number of connections between the set of sensors and the system of receiving data from these sensors is minimized.

Układ według wynalazku przedstawiony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu synchronizacji akwizycji danych pomiarowych, a fig. 2 przedstawia przebiegi czasowe wybranych sygnałów.The system according to the invention is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a block diagram of the measurement data acquisition synchronization system, and Fig. 2 shows the timing of selected signals.

Układ synchronizacji akwizycji danych pomiarowych według wynalazku składa się z układu generacji impulsów próbkujących UGIP, odbiornika danych ODB, licznika impulsów wysokiej częstotliwości LNK, układu komparatora stanu licznika UKL, układu znakowania czasem UZC oraz bufora odebranych danych BUF. Sygnał wyjściowy IPR układu generacji impulsów próbkujących UGIP jest wyprowadzony na wyjście WY układu synchronizacji akwizycji danych pomiarowych. Na wejścia WOD1.....WODn odbiornika danych ODB są podawane sygnały transmisji danych PD1.....PDn układów akwizycji danych sensorów SEN1....SENn. Do wejścia synchronizującego SYN układu generacji impulsów próbkujących UGIP jest doprowadzony impuls znacznika czasu 1 pps, który również jest doprowadzony do wejścia zerującego WZ licznika impulsów wysokiej częstotliwości LNK, na którego wejście zegarowe CLK jest podawany sygnał wielkiej częstotliwości, a którego wyjście równoległe WL jest połączone z wejściem WK układu komparatora stanu licznika UKL. Wyjście informacyjne WI układu komparatora stanu licznika UKL jest doprowadzone do wejścia zapisującego WC układu znakowania danych czasem UZC. Wyjście danych DO układu znakowania danych czasem UZC jest połączone z wejściem danych Dl bufora odebranych danych BUF.The measurement data acquisition synchronization system according to the invention consists of a UGIP sampling pulse generation circuit, an ODB data receiver, an LNK high frequency pulse counter, a UKL counter state comparator circuit, a UZC time stamping circuit, and a BUF received data buffer. The output signal IPR of the UGIP sampling pulse generation system is led to the output WY of the measurement data acquisition synchronization system. Data transmission signals PD1 ..... PDn of sensor data acquisition systems SEN1 .... SENn are sent to the WOD1 ..... WODn inputs of the ODB data receiver. A time stamp pulse of 1 pps is fed to the synchronizing input SYN of the sampling pulse generator UGIP, which is also fed to the reset input WZ of the high-frequency pulse counter LNK, to which the clock input CLK is fed a high-frequency signal, and the parallel output of which WL is connected to VK input of the UKL meter state comparator system. The information output WI of the counter state comparator system UKL is connected to the writing input WC of the data marking system UZC. The data output DO of the time stamping data UZC is connected to the data input D1 of the received data buffer BUF.

Zasadę działania układu ilustruje, zamieszczony na fig. 2, przebieg czasowy impulsu znacznika czasu 1 pps, przebieg czasowy impulsów próbkujących IPR oraz przebieg czasowy sygnału transmisjiThe principle of operation of the system is illustrated in Fig. 2 by the timing of the 1 pps time stamp pulse, the timing of the IPR sampling pulses and the timing of the transmission signal.

PL 240 658 Β1 danych DPI, przykładowo z sensora SEN1. Sygnał transmisji danych DP1 pojawia się z pewnym określonym opóźnieniem od momentu przyjścia impulsu znacznika czasu 1 pps, jest to czas T1. Wartość zadana układu komparatora stanu licznika UKL jest ustawiana na taką wartość, że układ komparatora zadziała po czasie mniejszym niż T1 a wyjście informacyjne Wl układu komparatora stanu licznika UKL powoduje przypisanie najbliższej danej, odebranej przez odbiornik danych ODB, czasu związanego z ostatnio odebranym impulsem znacznika czasu 1 pps.PL 240 658 Β1 DPI data, for example from a SEN1 sensor. The DP1 data transmission signal occurs with a certain delay after the arrival of the 1 pps time stamp pulse, this is time T1. The preset value of the UKL meter state comparator system is set to such a value that the comparator system will operate after a time less than T1, and the information output Wl of the UKL meter state comparator system causes the assignment of the nearest data, received by the ODB data receiver, to the time associated with the last time stamp pulse received. 1 pps.

Claims

1.Measurement data acquisition synchronization system consisting of a sampling pulse generation system (UGIP), a data receiver (ODB), a high-frequency pulse counter (LNK), a meter reading comparator system (UKL), a time stamping system (UZC) and a received data buffer (BUF), characterized in that a 1 pps time stamp pulse is supplied to the synchronizing input (SYN) of the sampling pulse generation system (UGIP) and the output (1PR) of the sampling pulse generation system (UGIP) is led to the output (WY) of the measurement data synchronization circuit , while data transmission signals (PD1 ..... PDn) of data acquisition systems (UAD1 .. .UADn) of sensors (SEN1 .... SENn), where the 1 pps time stamp pulse is also applied to the reset input (WZ) of the high-frequency pulse counter (LNK), to which the clock input (CLK) is fed y a high frequency signal, the parallel output of which (WL) is connected to the input (WK) of the counter state comparator (UKL), the information output of which (Wl) is connected to the time record (WC) input of the time stamping circuit (UZC), and the data input (Dl) of the time stamping circuit (UZC) is connected to the data output (DO) of the data receiver (ODB) and the output (DZ) of the time stamping circuit (UZC) is connected to the data input (BI) of the received data buffer (BUF) .