CN103326802A - 一种实现同步采集的无线网络***、同步采集装置及方法 - Google Patents

一种实现同步采集的无线网络***、同步采集装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现同步采集的无线网络***、同步采集装置及方法，实现同步采集的无线网络***包括：中心控制器和n个无线数据采集终端（n≥2）；同步采集装置包括GPS接收器、CPLD时钟处理模块和模拟数字转换器（Analog Digital Converter，简称ADC）；用于实现同步采集的方法内容包括：将数据采集终端划分为一个主终端和多个从终端，在开始采集前先确认所有数据采集终端处于Ready状态；然后中心控制器向主数据采集终端发送Prestart指令；主数据采集终端收到该指令后，在下一个PPS到来时回复OK指令；中心控制器收到该指令后，向所有的数据采集终端发送Start指令；通过该流程完成所有数据采集终端的同时刻启动，最终实现同步采集。

Description

一种实现同步采集的无线网络***、同步采集装置及方法
技术领域
本发明涉及数据采集技术，尤其涉及一种实现同步采集的无线网络***、同步采集装置及方法。
背景技术
随着网络技术的发展，基于无线网络的数据采集***，被越来越多地应用于工业现场的实时通讯中。很多监测项目监测点分散，又具有实时性的特点，例如地震、台风、交通事故等等，对于各部位监测数据需要非常准确的时间同步。只有具体参数信息同步采集上来，才能对监测对象，工作环境进行综合分析，准确地判断现场的情况。一般的数据采集技术难以达到这样的监测要求，如果不采用同步采集技术，极有可能造成各个监测点采集数据时间上的微小误差，不仅造成监测结果的不准确，还将严重地影响研究分析。
中国专利公开号CN1024972A，公开日2012年6月13日，名称为《一种多ADC高速数据采集***的数据同步识别装置》，该申请案公开了一种具有数据同步识别功能的多ADC高速时间交替采集***，通过一个数据顺序识别模块来测量各ADC数据同步时钟之间的相位关系，实现了并行时间交替采样数据与采样时间的正确拼合，其不足之处是仍然无法实现***中多个终端的同步采集。
中国专利授权公告号CN101267291B，授权公告日2012年2月29日，名称为《实现同步采集的方法、无线网络***及同步装置》，该专利采用同步装置接收到采集命令后，获取当前时间，并用当前时间加上预设时间作为采集时间，将采集时间和采集命令发送至各无线网络节点。其不足之处是：虽然实现了各个无线网络节点在同一时刻开始采集数据，但实现同步还需要采样频率的一致，否则无法同步；并且数据帧中包含的时间信息较多，网络传输的开销较大，进而影响了整个网络的传输效率。
由此可以看出，现有技术在实现同一时间启动完成同步数据采集工作及各无线数据采集终端之间的同步采集还存在一些弊端。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供一种实现同步采集的无线网络***、同步采集装置及方法。
本发明为一种在无线网络数据采集***中，实现精确时钟同步的装置及方法。主要用于无线数据采集终端之间的同步采集。
本发明提供了一种实现同步采集的无线网络***，能够实现各无线采集终端同时启动，并完成同步采集数据。
本发明还提供了一种实现同步采集的装置和方法，能够实现各无线采集终端同步采集数据。
为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种实现同步采集的无线网络***，该***包括：中心控制器和n个无线数据采集终端（n≥2）；
所述的中心控制器负责将采集参数与控制命令发送至每个无线数据采集终端，协调控制各无线数据采集终端实现同步采集；
所述的无线数据采集终端用于由所述的中心控制器协调完成同步数据采集，并将采集数据上传至所述的中心控制器。
一种同步采集装置用于实现同步采集的无线网络***中的，该装置位于无线数据采集终端内部，用于实现同步数据采集。
所述的同步采集装置，它包括GPS接收器、CPLD时钟处理模块和一组模拟数字转换器（Analog Digital Converter，以下简称ADC）；
所述的GPS接收器负责为数据采集终端提供同步时钟的脉冲信号，采用1PPS脉冲提供标准的时钟信号；
所述的CPLD时钟处理模块负责将GPS接收器提供的同步脉冲信号进行分频处理，产生高频时钟信号提供给每个ADC作为同步采样时钟，通过控制倍频值，进行采样时钟的调整；在满足现场采样频率的前提下提高数据采集终端的同步特性；
所述的ADC负责采集工业现场的模拟信号并将其转换成数字信号，并由CPLD时钟处理模块进行控制。
在实现同步采集的无线网络***中所述的中心控制器可以通过MCU发送采样参数给CPLD时钟处理模块，从而实现采样频率的实时调节。
CPLD时钟处理模块通过总线通信接口获取MCU单元发送的采样参数来调节现场的实际采样频率，CPLD时钟处理模块同时控制本地板卡的多路ADC进行同步采样，所有同步采样由GPS单元的PPS脉冲信号上升触发。同步采样启动后，采样时钟通过PPS秒脉冲进行校准，以减小采样频率的累积误差。
一种用于无线网络***中实现同步采集的方法，该方法内容包括：
在同步采集无线网络***中，将多个无线数据采集终端划分为一个主无线数据采集终端和多个从无线数据采集终端，并规定了同步数据采集控制帧和数据帧的格式，用于中心控制器与无线数据采集终端之间的通信；
在中心控制器发送指令开始数据采集之前，首先确认所有的无线数据采集终端处于Ready（准备）状态；在所有无线数据采集终端处于Ready（准备）状态的情况下，中心控制器首先向主无线数据采集终端发送一个Prestart(预启动)指令；在所述主无线数据采集终端接收到Prestart(预启动)指令后，随后主无线数据采集终端在下一个上升沿到来时回复OK（确认）至中心控制器；中心控制器收到来自主无线数据采集终端OK（确认）的指令后，向所有的无线数据采集终端发送Start（开始）指令；通过在数据采集启动之前增加主无线数据采集终端与中心控制器的协议流程，最后所有的无线数据采集终端在同一个上升沿到来时触发动作，完成数据数据采集的同时刻启动，实现数据的同步采集。
在所述的同步数据采集的方法中，所述的同步数据采集控制帧是由Header(帧头)、Type(指令类型)和Channel(信道)三部分构成，其中，指令类型按照数据传输要求分为Ready（准备）、Prestart(预启动)、OK（确认）和Start（开始）四种指令类型，由此能够辅助完成同步数据采集。
在所述的同步数据采集的方法中，所述的同步数据采集的数据帧，包括Mark(时间戳)和Data segment(数据段)两部分，时间戳由计数器生成循环的时间序列，如8位计数器生成0～255的时间序列，每一次采样的时间序列和对应的数据被分别存放在Mark(时间戳)和Data segment(数据段)里。中心控制器接收到数据后根据时间序列进行处理。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有这样的有益效果：
本发明无需进行无线数据采集终端时钟与UTC时钟的校准即可实现多个终端之间的同步数据采集，易于实现，并且同步采集启动速度快，对无线数据采集终端中MCU性能的要求低；该方案简化数据帧中时间戳，提升数据传输中的有效数据量；另外该方案中同步采样的频率可以实时的调节，具有很好的灵活性。
附图说明
图1为本发明的实现同步采集的无线网络***框图；
图2为本发明的同步采集装置示意图；
图3为本发明的用于无线网络***中实现同步采集方法流程图；
图4为数据采集控制帧和数据格式；
图5为同步数据采集时序图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。
图1所示是本发明的实现同步采集的无线网络***框图。实现同步采集的无线网络***是由三个无线数据采集终端和一个中心控制器组成，三个无线数据采集终端根据工业现场的实际需求组成了一种星状网络拓扑结构，实现对工业现场数据的采集和处理的工作。中心控制器为PC上位机，用于协调控制三个无线数据采集终端，并进行采集数据的处理；每个无线数据采集终端均由数据处理器、无线通信模块和同步采集装置组成，其中，无线通信模块用于实现与中心控制器的无线传输。
如图2所示，本发明的同步采集装置包括GPS接收器、CPLD时钟处理模块及ADC。其中的GPS接收器是时钟信号源，由天线、接收处理器、高稳定时钟等部分构成，负责为无线数据采集终端提供同步的时钟脉冲信号；GPS接收器授时模块的精度高，能产生高达ns级的同步授时，带有每秒一个脉冲或每秒钟100个脉冲的时序输出，能够提高***采集性能的有效性和可靠性。ADC负责采集工业现场的模拟信号并将其转换成数字信号，并由CPLD时钟处理模块进行控制。CPLD时钟处理模块为复杂可编程逻辑器件，它将GPS接收器提供的脉冲信号进行倍频处理，从而提高无线数据采集终端的采样频率，并可以实时调整。CPLD时钟处理模块可以按要求自行定义器件的内部逻辑和管脚，有效地增强了设计的灵活性，减少了芯片的数量，缩小了无线数据采集终端的体积，提高了***的性能和可靠性。
图3是本发明的用于无线网络***中实现同步采集方法流程图，本发明的实现同步采集的无线网络***将无线数据采集终端划分为一个主无线数据采集终端和两个从无线数据采集终端，通过在数据采集启动之前增加主无线数据采集终端与中心控制器的协议流程，可以实现三个无线数据采集终端的时钟同步及在同一时间完成同步数据采集的启动。
在中心控制器发送指令开始数据采集之前，首先确认所有的无线数据采集终端处于Ready（准备）状态；在所有无线数据采集终端处于Ready（准备）状态的情况下，中心控制器首先向主无线数据采集终端发送一个Prestart(预启动)指令；在所述主无线数据采集终端接收到Prestart(预启动)指令后，在下一个上升沿到来时回复OK（确认）至中心控制器；中心控制器收到来自主无线数据采集终端OK（确认）的指令后，向所有的无线数据采集终端发送Start（开始）指令；最后所有的无线数据采集终端在下一个上升沿到来时触发动作，完成同步数据采集的启动。
图4为同步数据采集启动的时序图，其中图4（a）为失败的同步数据采集通信时序图，图4（b）为本发明可避免同步失败的采集启动时序图。图4（a）中所有的无线数据采集终端在接收到数据通信指令后，在下一个标准时钟信号的上升沿到来时触发动作，启动同步数据采集。然而多个无线数据采集终端接收通信指令时存在时延，不同的无线数据采集终端不能保证在同一时刻接受到同步采集的指令，有可能在同一个标准时钟信号的上升沿前后接收到启动采集的指令，因此也不能保证能够进行同步的采集。如图4（a）中所示，当无线数据采集终端1（WDAT1）在t1时刻接收到指令，则在第一个上升沿到来时触发动作；无线数据采集终端2（WDAT2）在t2时刻收到指令，因为t2时刻在第一个触发的上升沿之后，WDAT2只能在第二个上升沿到来时触发指令。如此WDAT1和WDAT2不能再同一时刻启动同步的数据采集。
图4（b）为本发明优化的采集启动时序图。在确认所有的无线数据采集终端处于Ready（准备）状态下时，主无线数据采集终端接收到Prestart(预启动)指令，并且在下一个标准时钟脉冲的上升沿时向中心控制器回复一个OK（确认）指令；当中心控制器接收到OK（确认）指令后，马上向所有的数据采集终端发送Start（开始）指令；主无线数据采集终端在t3时刻接收到Start（开始）指令，从无线数据采集终端在t4时刻接收到Start（开始）指令，两个WDAT接收到start（开始）命令的延迟时间分别为Δt1与Δt2，延时时间远远小于时钟信号中两个脉冲信号的时间差，不会出现数据采集终端在不同标准时钟的上升沿触时发动作。通过在数据采集之前增加主无线数据采集终端与中心控制器的通信协议流程，可以实现三个无线数据采集终端之间在同一个绝对时刻，启动同步数据采集。
图5为数据采集控制帧和数据格式。左侧为控制指令帧格式，由Header(帧头)、Type(指令类型)和Channel(信道)三部分构成。指令类型按照数据传输要求分为Ready（准备）、Prestart(预启动)、OK（确认）和Start（开始）四种指令类型，分别对应000、001、010、011字符格式，由此能够实现通信传输过程中的协调控制。
图中右侧为采样数据帧的格式，包括Mark(时间戳)和Data segment(数据段)两部分。本发明中无线数据采集终端的***时钟是一个8位计数器，提供了256个采样的循环时间信号，无线数据采集终端按照0～255的顺序循环采集数据，255代表一个周期结束。每一次采样的时间信息和对应的数据被分别存放在Mark(时间戳)和Data segment(数据段)中。数据帧通过无线网络在无线数据采集终端和中心控制器之间进行传输，中心控制器通过解析数据帧中Mark(时间戳)和Data segment(数据段)的信息，完成同步数据采集。
由于无线数据采集终端之间进行同步采集，因此中心控制器接收到采样数据包后，只需按照时间序列存储，即可对同步采集的数据进行处理和分析，精确的时间戳信息也可由主控制器计算后添加，同步数据采集启动时刻在中心控制器接收到Ready（准备）指令后的下一秒。
通过上述本发明的实施例可以看出，本发明实施例提供的实现同步采集的方法及同步装置，可以有效的实现无线网络***的多个数据采集终端同步的进行数据采集。

Claims (5)

1.一种实现同步采集的无线网络***，其特征在于：该***包括：中心控制器和n个无线数据采集终端（n≥2）；
所述的中心控制器负责将采集参数与控制命令发送至每个无线数据采集终端，协调控制各无线数据采集终端实现同步采集；
所述的无线数据采集终端用于由所述的中心控制器协调完成同步数据采集，并将采集数据上传至所述的中心控制器。
2.一种同步采集装置，其特征在于：它包括GPS接收器、CPLD时钟处理模块和模拟数字转换器（Analog Digital Converter，以下简称ADC）；
所述的GPS接收器负责为数据采集终端提供同步时钟的脉冲信号，采用1PPS脉冲提供标准的时钟信号；
所述的CPLD时钟处理模块负责将GPS接收器提供的同步脉冲信号进行分频处理，产生高频时钟信号提供给ADC作为同步采样时钟，通过控制倍频值，进行采样时钟的调整；在满足现场采样频率的前提下提高数据采集终端的同步特性；
所述的ADC负责采集工业现场的模拟信号并将其转换成数字信号，并由CPLD进行控制。
3.一种用于无线网络***中实现同步采集的方法，其特征在于：该方法内容包括：
在同步采集无线网络***中，将多个数据采集终端划分为一个主数据采集终端和多个从数据采集终端，并规定了同步数据采集控制帧和数据帧的格式，用于中心控制器与数据采集终端之间的通信；
在中心控制器发送指令开始数据采集之前，首先确认所有的数据采集终端处于Ready（启动）状态；在所有数据采集终端处于Ready（准备）状态的情况下，中心控制器首先向主数据采集终端发送一个Prestart(预启动)指令；在所述主数据采集终端接收到Prestart(预启动)指令后，随后主数据采集终端在下一个上升沿到来时回复OK（确认）至中心控制器；中心控制器收到来自主数据采集终端OK（确认）的指令后，向所有的数据采集终端发送Start（开始采集）指令；通过在数据采集启动之前增加主数据采集终端与中心控制器的协议流程，最后所有的数据采集终端在同一个上升沿到来时触发动作，完成数据数据采集的同时刻启动，实现数据的同步采集。
4.根据权利要求3所述的一种用于实现同步采集的无线网络***中的采集的方法，其特征在于：所述的同步数据采集控制帧是由Header(帧头)、Type(指令类型)和Channel(信道)三部分构成，其中，指令类型按照数据传输要求分为Ready（准备）、Prestart(预启动)、OK（确认）和Start（开始采集）四种指令类型，由此能够辅助完成同步数据采集。
5.根据权利要求3所述的一种用于实现同步采集的无线网络***中的采集的方法，其特征在于：所述的同步数据采集的数据帧，包括Mark(时间戳)和Datasegment(数据段)两部分，时间戳由计数器生成循环的时间序列，如8位计数器生成0～255的时间序列，每一次采样的时间序列和对应的数据被分别存放在Mark(时间戳)和Data segment(数据段)里。
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