CN101316160A - 多节点同步采样和数据传输方法 - Google Patents

Abstract

多节点同步采样控制和数据传输方法，其步骤如下：(1)构建一个与上层数据处理设备和过程量采集控制装置(DAE)相匹配的全局同步装置，该设备利用外接同步源或本地定时器产生一个全局同步信号S1；(2)将全局同步信号接入一个或多个称之为通信装置(DCE)的设备，通信装置为每个接入的过程量采集控制装置产生一个同步信号S2；(3)利用信号S1中的绝对时标和全局采样计数器，在多个通信装置之间实现过程量的二次同步抽样；(4)负责过程量采集和执行输出的采集控制装置(DAE)在接收到信号S2后检出同步信号和命令数据；(5)采集控制装置根据Δt_i动态调整S2信号的启动时刻实现远距离多节点的同步采样。

Description

多节点同步采样和数据传输方法

一、技术领域

本发明涉及分布在不同场所的多个数据采集节点之间同步采样和实时数据传输的方法。尤其在需要分布式采集控制和集中式数据处理，对数据采样要求严格同步，采样数据要求实时传输，时延固定的电力***保护领域和工业控制领域。具体地说，本发明是多节点同步数据采集和实时传输的方法。

二、背景技术

在电力***继电保护和工业过程控制领域，为精确地保留信号的相位信息，或对异步发生的事件进行精确时序分析，需要对某一组过程量进行严格异地同步等间隔采集，为提高***实时处理能力和异步事件响应速度需要各个过程量采集控制装置的采样数据能够实时上送，并且处理装置的命令设置信息需要实时地发往执行机构或调节机构。一些标准如IEC61850-5就定义了3个等级的采样值同步准确度：T3，T4和T5。其中：T3等级要求为25μs，用于配电线路保护；T4等级要求为4μs，用于输电线路保护中；T5等级要求为1μs，用于计量[5]。而等间隔采样是后级基于准同步采样算法基础[4]，当被测过程量可以接入同一个采集装置时同步采集比较容易实现，但当这些过程量位于不同的采集装置，而且这些采集装置物理分布不在一起时就没有统一的实现方法。

目前现有的同步采样控制方法主要包括以下三种方法：

1.遵循IEC61850-9-1体系结构，由一个精确时钟源同步多个合并器，再由合并器产生控制ADC的启动信号，实现多节点采样[3]。

2.基于IEEE1588精确时间协议PTP(Precision Time Protocol)的同步采样***，通过对满足多点通信的分布式控制***采用多播技术终端设备的时钟进行微秒级同步，进而根据绝对时间实现采样同步。

3.GPS同步法。利用GPS模块为不同物理分布节点提供秒脉冲，各节点采样同步于GPS模块输出的秒脉冲实现全局同步采样。

目前现有的同步采样控制方法的不足之处：

1.IEC61850-9-1体系结构需要独立的同步通道，普遍采用秒脉冲同步合并器，这种体系结构没有考虑传输链路长度影响，而且数据传输的方向是单向的，在需要主从节点交互信息时不适用，对同步钟源和本地时钟要求高。

设同步钟源的周期为T，而实际ADC的采样周期为Ta，为实现等间隔采样应有

T＝N×T_a    式中：N为在周期T中采样点数

f₀＝1/T＝(1/NT_a)＝f_a/N  式中：f_a＝1/T_a为本地节点工作时钟

由于f₀，f_a，N为整数，采样率N越高时，上式越无法精确相等，不同的节点之间由于f_a不同和频率飘移，实际上无法实现同步等间隔采样。

2.基于IEEE1588的同步采样方法，需要支持IEEE1588协议的网络硬件接口和交换设备，增加额外的成本。而且由于IEEE802.3对以太网传输距离和网络传输延时有要求，使之不适用物理上分布较远的多个节点之间的同步采集和控制。IEEE1588每秒启动一次同步过程，在时钟校同步失败后，再次同步需要反复计算两侧时钟的相对误差Δt，同步延时较长。

此外，在高速多节点采集控制装置连接到同一个主控节点时，重载时网络冲突加剧，影响实时数据传输，不能保证每个采样数据在固定的时延下传输到数据处理终端。

3.GPS同步法受到GPS的受捕获卫星数量影响，以及自然环境和社会环境等因素的制约，并且需要相应的硬件支持，需要额外的数据传输通道，成本较高。参考文献：

1.高厚磊，江世芳，贺家李。数字电流差动保护中几种采样同步方法.电力***自动化，1996，20(9)。

2.杨维娜，鲍伟廉.PCM***传送继电保护数据的信号处理.电力***通信，1992(2)

3.殷志良 刘万顺 杨奇逊 秦应力一种遵循IEC61850标准的合并单元同步的实现新方法.电力***自动化.2004，28(11).-57-61

4.戴先中准同步采样及其在非正弦功率测量中的应用仪器仪表学报1984年11月

5.IEC 61850-5.Communication Networks and Systems in Substations，Part 5：Communication Requirements for Functions and Device Models.2003.

6.殷志良 刘万顺 杨奇逊 秦应力 基于IEEE 1588实现变电站过程总线采样值同步新技术电力***自动化.2005，29(13).-60-63

三、发明内容

本发明目的是提出一种在同一对全双工链路上实现了同步采样控制和实时数据传输的方法，并解决不同物理分布的多个采集控制节点之间由于物理链路长度和软件协议栈所产生的额外时延。

本发明是通过这样方案实现的：多节点同步采样和数据传输方法：

(1).构建一个与上层数据处理设备和过程量采集控制装置相匹配的全局同步装置(以下简称GSE)，该设备可以利用外接同步源，也可以利用本地定时器产生一个全局同步信号S1，其周期就是过程量采集控制装置的采样周期，通过编码在该信号中包含绝对时标和全局采样计数器。

(2).将全局同步信号接入一个或多个(由***规模确定)称之为通信装置(以下简称DCE)的设备，该设备为每个接入的过程层采集控制装置产生一个同步信号S2，S2的周期就是全局同步信号S1的周期，但信号的启动时刻和其与对应的采集装置之间的链路相关，即比S1延迟Δt_i(i为采集装置编号，i＝1，2，...n)。通过对信号S2的编码使之携带上层数据处理设备发往对应采集控制装置控制信息和同步信号。

(3).利用信号S1中的绝对时标和全局采样计数器，在多个通信装置之间实现过程量的二次同步抽样。

(4).负责过程量采集和执行输出的采集控制装置(以下简称DAE)在接收到信号S2后检出同步信号和命令数据，在同步信号的控制下立即启动本地过程量的采集并回传信号S3到DCE，即S3和S2是严格时钟相关的.通过对信号S3的编码使之携带上一时刻的采样数据和发往上层数据处理设备的应用数据。

(5).在每次全局信号到来时按式3-1、式3-2和式3-3计算通信装置到采集控制装置DAE_i(i＝1，2，3......)的信道延迟量Δt_i(设链路传输延迟为t_delay，并认为收发数据的物理链路等长)，根据Δt_i动态调整S2信号的启动时刻实现远距离多节点的同步采样。

t_delay＝(t_rcv-t_se-T_FH)/2                  (式3-1)

Δt＝T_dm-(t_rcv-t_se-T_FH)/2＝T_dm-t_delay     (式3-2)

T_dm＝max{t_delay0，t_delay1，...，t_delayn}  (式3-3)

式中：Δt--通道延迟量

T_FH--同步帧头部宽度

T_dm--***最大链路传输延时，可以根据最大链路长度估算

t_se--特定通道发送同步波形时刻，t_rcv--接收到返送数据的时刻

由于采样数据在采样同步信号的控制下回传，获得稳定的实时采样数据的时延和传输带宽，在信号中通过编码同时携带控制命令和同步信号，实现了在同一对链路上的采样同步和数据传输。

本发明所述的采集控制装置发往通信装置的数据帧，由采样数据字段和用户协议字段组成。采样字段每次传送上次采样数据，协议字段传送高层协议数据单元，构成两个逻辑信道，采样数据为实时传输，协议数据非实时传输。同一个数据帧在一次采样间隔中被传送两次，链路层控制器根据帧校验码确定选取其中一个，简化传输机制并提高信道纠错能力。

多节点同步采样控制和数据传输方法适合需在不同场所布置采集控制装置，全局数据采样需要严格同步，对采样数据传输时延要求固定的分布式采集实时集中数据处理的电力***保护领域和工业控制领域。

本发明的特点

(1).利用一对数据链路实现数据传输和同步采样，成本低，可靠性好。

(2).每个采样周期内完成数据传输，时刻固定，无需***时标，可以直接传输采样数据，便于高层软件进行深度分析。

(3).自动计算多个信道传输延迟并调整每个信道同步信号，保证多个节点之间精确同步。

(4).采样数据续传两遍，提高信道纠错能力，又减少高层请求重发的开销

(5).数据字段分为实时数据字段和协议数据字段，保证实时数据传输同时提供逻辑信道传输高层协议数据。

(6).同步精度不受信道物理长度影响，也不受外界条件影响，可达到纳秒级。

(7).利用违规编码产生同步信号，发送方同步点为信号前沿，接收方同步点信号的后沿，保证同步信号精确检出。

(8).本发明的信道延时量算法和传输及差错控制规则简单有效，适合基于FPGA设计实现，通过并行处理提高***性能。

附图说明

图1多节点同步采样控制***结构图

图2全局同步装置同步信号S1

图3通信装置同步/命令信号S2(S3)

图4多节点同步采样***工作时序图

具体实施方式

1.多节点同步***构成

典型的多节点同步采样及数据传输***如图1所示：

***自下而上有三层结构，Level 1为采集控制装置，负责过程量采集和控制命令执行，待测过程量和执行/调节机构连接在采集控制装置上。DAE在接收到同步/命令(Syn/Cmd)信号后启动数据采样，执行相应命令并转发采样数据。Level 2包括全局同步装置(以下简称GSE)和通信装置(以下简称DCE)，其中同步装置负责按高层要求的采样间隔产生全局同步信号，通信装置负责同步各采集控制装置并透明转发来自上层或下层的数据，Level 3为数据处理装置(以下简称DPE)，负责实时数据处理和下发控制命令。本发明只涉及***中Level 1和Level 2.

图1中S₀为外同步信号，通过S₀可以接入远方同步信号，扩大***规模，实现多个***同步采样。S₁为采样/时标信号，由同步装置产生符合上层设备要求的过程量采样启动信号，该信号同时包括全局绝对时标和采样计数器。S₂为通信装置发往采集控制装置的同步/命令信号，该信号包含过程量采样启动信号和上层设备发往采集装置的协议数据单元。S₃为采集控制装置发往通信装置采样数据和协议数据单元，该信号包括一个同步脉冲。通过扩充图1虚线框中设备，可以扩大本地同步***规模。

本发明采用定长帧，传输延时固定，用于数据传输和同步控制的信号波形均由同步头和随后的数据字段形成，附加用于差错控制帧校验码。

2.全局同步信号S₁

图1中同步装置输出的同步信号S₁的物理层定时和编码如图2所示，编码使用高电平宽度表示信息，每个码元宽度为T_b。图中T_h为帧同步头宽度，紧随同步头之后的是数据段，T₀为码元逻辑0的宽度，T₁为码元逻辑1的宽度，Ts为采样间隔。T_b、T₀和T₁均为T_b的函数。同步装置以间隔Ts发送同步信号，t_fs为帧起始点，接收方连续检测到两个宽度为T_h高电平认为检测到帧同步信号，标记图中t_syn为接收方同步检出点，帧同步头之前有一个码元宽度的低电平，可以确保同步检出。在信号S₁的数据字段中，包含绝对时标和一个8位的采样计数器。当***连接多个通信装置时，利用全局的采样计数器来标记某一特定时刻的采样数据，根据数据处理装置的需要可以进行二次抽样。

3.同步采样/数据传输信号S₂/S₃

如图2所示，本发明中通信装置下行信号S₂和采集装置上行信号S₃的帧格式相同，物理层定时和编码如图3。一次采样间隔中，数据被连续传送两次，图中t_fs0为发送方帧起始点，t_syn为接收方同步信号检出点，由两个连续的宽度为T_synh的高电平标记帧开始，由一个宽度为T_synh的高电平标记随后将重传数据，t_fsl为第二次传送起始时刻。图中t₀为同步时刻，t₁为数据重传的起始时刻，t₂为下一个采样间隔开始，Ts为一个完整采样间隔时间。每帧的数据场在一个前导1之后开始，t_dat表示数据场开始时刻，T_spae为标记信号到前导1之间的时间宽度，T_b为一个数据比特宽度。数据场编码采用曼切斯特编码，以便能同差分收发器相接。

由于本发明的S₂/S₃中帧控制信号不采用曼切斯特编码，而且宽度也比数据位宽大很多，所以接收方通过脉冲宽度检测办法可恢复同步信号。

4.差错控制和协议数据传输

如图3所示，本发明中，信号S₂/S₃的数据字段(从图3中t_dat开始)被划分为如下三个部分，采样数据、协议数据和帧校验部分，如表1所示。

表1信号S2/S3的数据链路层帧格式

采样数据

用户协议数据

帧校验(CRC)

本发明的采样数据字段应由SGDMA(scatter gather DMA)装配，或者由协议栈的最低层在启动传输时填充.利用用户协议数据字段可以构成一个非实时的逻辑信道，用来传输DAE和对等的高层之间监视信息。如表2所示，一次协议数据传输可能包含多个采样间隔。

在本发明中，采样数据和协议数据的位宽比例由应用决定，帧校验为16位CRC.一个协议数据的完整帧可能由表2所示的协议数据0到协议数据n-1的n个分组组合而成，视具体应用而定。

表2协议数据S2/S3组成

由于实时采集的数据必须在每个采样间隔送达，在高速采样时不能采用出错请求重发的机制，而串行链路上的错误如果不是扩展性错误，可以通过随后的一帧纠正。本发明同一帧数据在链路层连发两次，接收方根据帧校验确定选取正确的一组，若两组都错提交高层确定。

5.多节点同步采样***工作原理

完整***工作物理层信号交互和定时信息如图4所示，图4中以两个采集控制装置为例给出了全局同步装置GSE和两个采集控制装置及通信装置之间的工作信号时序。

图4中T_s为采样周期，波形Wav0为GSE到DCE的同步信号，Wav00为通信装置DCE到采集控制装置DAE0的同步/命令波形，Wav01为经过传输延迟DAE0接收到同步波形，Wav02为DCE接收到来自DAE0的采样数据波形。Wav10为通信装置DCE到采集控制装置DAE1的同步/命令波形，Wav11为DAE0侧经过传输延迟接收到同步波形，Wav12为DCE侧接收到来自DAE1的采样数据波形。类似地，若一个DCE接入多个采集控制装置，则物理链路上的数据波形和传输过程与DAE0和DAE1类似，不再分析。

6.信道延时和同步采样实现

图4中在时刻t₀同步装置GSE发出带时标的采样同步信号S₁，通信装置根据上一时刻确定的链路延迟计算出发往DAE0和DAE1的同步信号同S₁的延迟量为Δt₀和Δt₁，并在时刻t₁和t₂分别产生各自同步/命令信号S₂，见波形Wav01和Wav11.经过通信链路延迟，DAE0和DAE1在时刻t₅产生本地过程量采集启动信号，同时返送上一采样时刻的数据，参见波形Wav02和Wav12。通道延迟量每个采样间隔计算一次，计算方法如下：

如上图6，可以按式3-1、式3-2和式3-3计算出通道i的延时量Δt_i，对接在通道i上的采集控制装置，同步命令帧在时刻t_fsi＝t₀+Δt_i(i＝0，1，2，....)发出，设采集控制装置i的数据采样时刻为t_iADC，t_delayi为通道i的链路传输延时，T_FH为帧头宽度，综合式3-1和式3-2有：

t_iADC＝t₀+Δt_i+t_delayi+T_FH＝t₀+T_dm+T_FH＝t₅    (式3-4)

式3-4的结果为常数，所以如果按上法选择通道i选择通道延迟量即可保证所有采集控制装置在同一时刻t_iADC(＝t₀+T_dm+T_FH)启动数据采样。

7.信道误码和数据完整性监视

本发明采集装置到通信装置之间的信号S2/S3的数据字段采用曼切斯特编码，解码部件可以监视每一个比特的信号完整性，同时监视数据帧完整性，提供帧碎片检测。通过监视接收信道上数据流来监视信道工作状况，向高层软件发送信道锁定信号，以便于根据信道工作状况采取不同算法或控制策略。

Claims (6)

1、多节点同步采样控制和数据传输方法，其特征是步骤如下：

(1).构建一个与上层数据处理设备和过程量采集控制装置(DAE)相匹配的全局同步装置，该设备利用外接同步源或本地定时器产生一个全局同步信号S1，其周期就是过程量采集控制装置的采样间隔，通过编码使S1携带绝对时标和全局采样计数器信息；

(2).将全局同步信号接入一个或多个称之为通信装置(DCE)的设备，通信装置为每个接入的过程量采集控制装置产生一个同步信号S2，S2的周期与全局同步信号S1的周期相同，但S2的启动时刻和其与对应的采集装置之间的链路相关，即比S1延迟Δt_i，i为采集装置编号，i＝1，2，...n；通过对信号S2的编码使S2携带上层数据处理设备发往对应采集控制装置控制命令数据信息和同步信号；

(3).利用信号S1中的绝对时标和全局采样计数器，在多个通信装置之间实现过程量的二次同步抽样；

(4).负责过程量采集和执行输出的采集控制装置(DAE)在接收到信号S2后检出同步信号和命令数据，在同步信号的控制下立即启动本地过程量的采集并回传数据信号S3到DCE，通过对S3的编码使之携带上个采样间隔的采样数据和发往上层数据处理设备的应用数据；

(5).在每次全局信号到达通信装置时重新计算通信装置到采集控制装置DAE_i，i＝1，2，3......的信道延迟量Δt_i，根据Δt_i动态调整S2信号的启动时刻实现远距离多节点的同步采样。

2、根据权利要求1所述的多节点同步采样控制和数据传输方法，其特征是：全局同步信号S₁使用高电平宽度表示编码信息，每个码元宽度为T_b，由一个宽度为Tb的前导0和两个连续高电平宽度为Th的脉冲构成帧同步头，随后附加数据字段，逻辑0的高电平宽度为T₀，逻辑1的高电平宽度为T₁，T_h、T₀和T₁均为T_b的函数；同步装置以间隔Ts发送同步信号，接收方连续检测到两个宽度为T_h高电平认为检测到帧同步信号，并将后一个高电平宽度为T_h的脉冲的下降沿标记为接收方同步检出点；

3、根据权利要求1所述的多节点同步采样控制和数据传输方法，其特征是：同步信号S₂和数据信号S₃的帧格式相同，由一个宽度为Tp的前导0和两个连续高电平宽度为T_synh的脉冲构成帧同步头，标记后一个宽度为T_synh脉冲的下降沿为接收方同步检出点。

4、根据权利要求1所述的多节点同步采样控制和数据传输方法，其特征是：在采集控制装置发往通信装置的数据帧由采样数据字段和用户协议字段组成，采样数据字段每次传送上次采样数据，用户协议字段传送上层协议数据单元，构成两个逻辑信道，采样数据为实时传输，协议数据非实时传输。

5、根据权利要求3所述的多节点同步采样控制和数据传输方法，其特征是：在通信装置和采集控制装置交换的信息帧，同一个数据报在一次采样间隔中被传送两次，由两个连续的宽度为T_synh的高电平标记帧开始、T_space的低电平和一个前导1及随后的数据字段构成第一个数据包；由一个宽度为T_synh的高电平标记随后将重传数据，链路层控制器根据帧校验码确定选取其中的一个数据包，简化传输机制并提高信道纠错能力。

6、根据权利要求1所述的多节点同步采样控制和数据传输方法，其特征是：通信装置DCE根据全局同步信号S1和上个采样间隔确定的链路延迟计算出发往采集控制装置DAE_i的同步信号同S₁的延迟量为Δt_i，并在时刻t_fsi＝t₀+Δt_i(i＝0，1，2，....)发出同步/命令信号S₂.经过通信链路延迟，DAE_i在时刻t_iADC产生本地过程量采样启动信号，同时返送上一采样时刻的数据，延迟量Δt_i的计算方法如下：

t_delay＝(t_rcv-t_se-T_FH)/2

Δt＝T_dm-(t_rcv-t_se-T_FH)/2＝T_dm-t_delay

T_dm＝max{t_delay0，t_delay1，...，t_delayn}

t_iADC＝t₀+Δt_i+t_delayi+T_FH＝t₀+T_dm+T_FH＝常数

式中：Δt--通道延迟量

T_FH--同步帧头部宽度，T_FH＝t₃-t₁＝t₄-t₂＝....

T_dm--***最大链路传输延时，可以根据最大链路长度估算

t_se--特定通道发送同步波形时刻，t_rcv--接收到返送数据的时刻

t_delay--链路传输延迟，设收发数据的物理链路等长。

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