CN105515706A - 一种采用脉冲映射域实现同步的方法和*** - Google Patents

Abstract

一种采用脉冲映射域实现同步的方法和***，应用于需要同步采样、同步执行的监测控制领域。本发明的实现同步的方法是构建一可用于数字化通信的通信帧，在通信帧的控制域中设置一脉冲映射域，用于映射同步源脉冲信号；在通信帧的控制域还设置网络识别号和目的地址。同步***由一个同步源发送设备和至少二个同步接收设备构成，可以实现同步源脉冲信号的广播、群播、单播方式的远程映射。

Description

一种采用脉冲映射域实现同步的方法和***

技术领域

本发明的技术内容属于数字通信技术，应用于需要同步采样、同步执行的电力监测、地震监测、桥梁监测等监测控制领域。

背景技术

在电力监测、地震监测、桥梁监测等测控应用领域，需要同时采样多个监测点的数据，对采样到的各监测点的数据加以集中分析，以计算出各种性能参数。性能参数的精确度依赖于各监测点采样时刻的同步性，因此，对各监测点的采样时刻的同步性要求很高。但由于各监测点距离分散，如何做到同步采样，目前并没很好的解决方法。

目前普遍采用的方法有二大类，一类为有线同步方式，另一类为无线同步方式。

有线同步方式一般采用在同步脉冲发送设备和接收设备间直接铺设电缆或者光缆，采用电脉冲或者光脉冲直接传输的方式来达到同步的目的。这种方法需要铺设多条电缆或光缆，由于远距离传输会使脉冲发生崎变，使同步性变差，所以实现的距离一般为300米左右。这种方式采样到的数据，需要采用无线电台或有线传输方式传回数据计算中心。

无线同步方式目前通常的一种做法是采用GPS（或北斗）卫星接收机的秒脉冲（PPS）做同步采样的同步信号。在各监测点装备GPS（或北斗）接收机，用GPS（或北斗）接收机每秒固定输出的一个秒脉冲（PPS）做同步源，驱动采样电路采样。采样后的数据用无线通信发射机发送回计算中心。这种方法利用GPS（或北斗）秒脉冲的同步性，达到同步采样的目的。但是，这种方法的不足在于，监测点不便布署，需要有GPS（北斗）星信号，而且只能每秒同步一次，需要额外装备无线通信设备用于数据的收发，在同步精度方面，若采用通用GPS（北斗）接收机，秒脉冲同步精度约为1uS，精度较低；若采用高精度GPS接收机，秒脉冲同步精度约为50nS，精度高但价格昂贵。

无线同步方式通常的另一种做法是采用无线通信电台做同步采样信号和数据收发设备，各监测点装配一台无线通信电台，由电台接收到的同步采样指令，驱动采样电路采样，采样后的数据用无线通信电台发送回计算中心。这种方法省去GPS（或北斗）接收机，但它在不足在于精度不足，因为电台的同步指令是一种电台串行口数据，是属于OSI通信模型的应用层数据，各个电台的串行口数据的同步性不足，同步精度约为1mS，同步精度低，因此监测点不得不要运行各种补偿运算。

发明内容

为达到同步脉冲与通信设备合为一体，使现场布署简便，能完成远程有线或者无线方式同步执行采样的目的，本发明提出了一种新的同步实现方法和***。

本发明的实现方法为构建一通信帧，在通信帧中的控制域设置一脉冲映射域来映射同步源脉冲信号。

本发明所指的同步源脉冲信号是指用于触发不同设备同步执行的同步信号，其形式是具有上升沿或下降沿的脉冲，或者是一个同步指令。

本发明构建一可用于数字化通信的通信帧，通信帧至少应由以下要素构成：前导码、同步字、长度域、控制域、负载域和校验域。其中的控制域至少应由以下要素构成：帧类型、脉冲映射域、网络识别号和目的地址。目的地址有单播地址、群播地址、广播地址三种形式。

在控制域中设置一个脉冲映射域是本发明的主要特征，用于表明该通信帧是否携带同步源脉冲信息。也就是说，当一个通信帧的控制域中的脉冲映射域的值为携带同步源脉冲信号，这表明发送这个帧的设备已被一个同步源脉冲信号所触发，而接收到这个帧的设备则应输出一个脉冲信号。

本发明的另一个主要特征，是在接收解码时，利用同步字的解析结果与脉冲映射域的值进行位域运算，控制接收到通信帧后是否输出同步脉冲。

本发明实现同步的方法，其发送方法是按通信帧格式构建通信帧，置脉冲映射域的值，填充网络识别号、目的地址信息和校验域，并序列化后发送到物理媒介中。物理媒介是指有线通信的通信线缆，或者无线通信的无线信道。

本发明实现同步的方法，其接收方法是从物理媒介接收到通信帧后，如果通信帧的同步字解析成功，且控制域中的脉冲映射域的值为携带同步源脉冲信号，则检验网络识别号及目的地址与本地的网络识别号和本地地址是否一致，如果一致，则通过延时，消除自身与最远节点的距离差导致的同步误差后，输出脉冲信号。如果同步字解析失败，或者脉冲映射域为不携带同步源脉冲信号，或者网络识别号与本地网络识别号不一致，或者目的地址与本地地址不一致，则不输出脉冲信号。

本发明在通信帧的控制域中设置脉冲映射域和帧类型，其效果是同步源脉冲信息和通信数据可同时在一通信帧中传输；在通信帧的控制域还带有网络识别号和目的地址，当目的地址是广播地址、群地址、单播地址时，可以分别实现同步源脉冲信号的广播、群播、单播方式的远程映，也就能非常灵活地控制全部接收设备、或者一组接收设备、或者某个单个接收设备输出同步脉冲信号。

本发明实现的同步***由一个同步源发送设备和至少二个同步接收设备构成。

同步源发送设备是指由同步源脉冲信号所触发，并能按本发明所述的同步方法发送出携带有脉冲映射域的通信帧的设备。

同步接收设备是指能接收通信帧，并能按本发明述的同步方法解调出脉冲映射域，能输出上升沿或者下降沿脉冲信号的设备。

同步源发送设备的一个输入口用于接收同步源脉冲信号输入，若输入脉冲信号有效，则固化在设备中的实现本发明方法的通信固件按通信帧格式构建通信帧，置脉冲映射域的值为携带同步源脉冲信号，填充网络识别号和目的地址信息，构建帧和校验域，并序列化后发送到物理媒体中。物理媒体是指有线通信的通信线缆，或者无线通信的无线信道。

同步源发送设备还可以通过通信口（如USB口，串口等）接收输入指令的方式，发射出携带有脉冲映射域的通信帧。若通信口接收到指示要发出同步信号的指令，则固化在设备中的实现本发明方法的通信软件按通信帧格式构建通信帧，置位脉冲映射域的值为携带同步源脉冲信号，填充网络识别号和地址信息，构建帧和校验域，序列化后发送到物理媒体中。

同步接收设备接收到通信帧后，如果通信帧的同步字解析成功，并且控制域中的脉冲域的值为携带同步源脉冲信号，并检验网络识别号及目的地址与本地网络识别号及本地地址相符，则消除自身与最远节点的距离差后，输出脉冲信号。如果同步字解析失败，或者脉冲映射域的值为不携带同步源脉冲信号，或者网络识别号与本地网络识别号不一致，或者目的地址与本地地址不一致，则不输出脉冲信号。

本发明实现的同步***适用于星形网络、树形网络、网状网络的网络拓朴模式，网络中的协调器及任何节点中的任何一个设备都可以做为同步源发送设备，当一个设备成为同步源发送设备后，其余设备都可成为同步接收设备。当同步***构成后，同步源发送设备可以通过设置不同的目的地址，达到广播，群播，单播同步脉冲信号的目的。

附图说明

图1：通信帧格式。

图2：控制域格式。

图3：指令格式。

图4：发送设备脉冲信息发送流程图。

图5：接收设备物理层脉冲输出流程图。

图6：应用***图。

具体实施方式

以本发明的一种实施例加以说明，以进一步阐述发明内容。本实施例工作于星形无线通信网络，工作频段为2.4G的ISM频段。通信模型由OSI通信模型的四个层构成，分别是应用层，网络层，媒体层，物理层。本实施例同步接收设备的脉冲映射域在在物理层解析，同步精度为百纳秒级。

本实施例的通信帧格式如图1所示，通信帧由前导码、同步字，长度域，控制域，负载域，校验域构成。各要素的长度为：前导码为4字节、同步字为2字节，长度域为1字节，控制域为2字节，负载域为长度域指示的字节数，校验域为2字节。其中长度域、控制域和负载域为检验区域，校验值写入校验域中。

通信帧中的控制域格式如图2所示，由帧类型，脉冲映射域，帧序列号，网络识别号，目的地址，源地址构成，各要素的长度为：帧类型2比特，脉冲映射域1比特，帧序列号1字节，网络识别号2字节，目的地址2字节，源地址2字节。其中帧序列号用于标记不同的帧，帧类型用于表明负载域的类型。

本实施例的同步源发送设备在应用层接收脉冲输入，有两种输入方式，一种是在输入引脚输入一个脉冲，另一种方式是通过通信口用指令方式输入。

本实施例的一种同步指令格式如图3，当接收到一个指令，如：AT+SMSG[2]＝8，46，{ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789}\r\n时，表示要把同步脉冲和数据“ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789”一起发送到地址为2的设备上。

同步源发送设备发射通信帧的流程按图4处理。

步骤401，设备启动后，通用输入口和通信口都可以接收同步源脉冲的触发。

步骤402，当输入口接收到同步源脉冲触发，则进入步骤408，否则转入步骤401继续等待。

步骤403，当通信口接收到指令输入，转入步骤404，否则转入步骤401继续等待。

步骤404，解析AT+SMSG指令，如果解析成功，则转入步骤405，否则转入步骤401继续等待。

步骤405，判断AT+SMSG指令的TxOptions的值，如果等于8,则说明要求发送同步脉冲，转入步骤406，否则，进入步骤407。

步骤406，设置脉冲映射标志为真，表示通信帧将携带同步源脉冲信号。

步骤407，设置脉冲映射标志为假。表示通信帧将不携带同步源脉冲信号。

步骤408，构建应用层通信数据，以上步骤401至步骤408，在应用层处理。通信数据构建完成后，传送给网络层处理，转入步骤409。

步骤409，设置网络识别号。

步骤410，设置目的地址。

步骤411，设置源地址。

步骤412，构建网络层数据。以上步骤409至步骤412，在网络层处理，处理完成后，传送给媒体层，进入步骤413。

步骤413，判断脉冲映射标志是否为真，如果为真，则转入步骤414。否则转入步骤415。

步骤414，设置控制域的脉冲映射域的值为携带同步源脉冲信号。

步骤415，设置控制域的脉冲映射域的值为不携带同步源脉冲信号。

步骤416，构建媒体层数据，处理完成后，传送给物理层。以上步骤413至步骤416在媒体层处理。

步骤417，设置校验域，本实例运行16位CRC校验。

步骤418，设置前导码和同步字，本实例前导码为：0xAAAAAAAA，同步字为：0xAF。

步骤419，序列化通信帧，按物理媒介的通信方式处理通信帧，本实例是按MSK调制方式调制通信帧。

步骤420，发送通信帧，本实例是调制到2.4G的ISM频段，通过功率放大器和天线发射到空中。

步骤421，结束处理流程。以上步骤417至步骤421在物理层处理。

同步接收设备接收到通信帧信号后，按图5的流程处理。本实施例的处理过程在物理层进行。

步骤501，设备启动后，处于接收状态。

步骤502，判断是否收到前导码，如果前导码接收成功，则进入步骤503，否则转入步骤514。

步骤503，解析同步字，如果同步字解析成功，则进入步骤504，否则转入步骤514。

步骤504，解析控制域。

步骤505，判断脉冲映射域是否携带同步源脉冲信号，如果是，则进入步骤506，否则转入步骤514。

步骤506，判断网络识别号是否与本地网络号一致，如果一致，则进入步骤507，否则转入步骤514。

步骤507，判断目的地址是否与本地地址一致，如果一致，则进入步骤508，否则转入步骤514。

步骤508，判断距离差值，如果有距离差值存在，则进入步骤509，否则转入步骤510。

步骤509，延时，距离差值按光速换算成延时时间。

步骤510，脉冲信号输出，在设备的输出口上输出脉冲信号，实现同步源脉冲信号的映射。

步骤511，挎贝负载域数据，负载域为数据通信的应用数据。

步骤512，利用校验域，进行校验，本实例实行16位CRC校验。

步骤513，数据传送给媒体层，其数据包括负载域数据和校验结果。

步骤514，结束本流程。

本实施例应用于同步采样的一个应用例子，如图6所示。

本实例的同步***为无线同步***，网络类型为星形网络拓朴结构，协调器和各个子节点均安装有天线（601）。协调器（602）负责星形网络的管理，只有网络识别号与协调器的网络识别号一致的节点才允许加入本网络，协调器（602）的地址为0，各个子节点加入网络后，协调器为他们自动分配节点地址，用于识别各个节点，本实施例有4个节点，分别是节点1（603）地址为1、节点2（604）地址为2、节点3（605）地址为3、节点4（606）地址为4。另外设置节点1和节点2的群地址为100，节点3和节点4和群地址为101，设置广播地址为65535。

计算中心（607）通过通信接口（Data）和同步源脉冲发送线（Txsyn）连接协调器（602）；各采样器与相应的子节点通过通信接口（Data）和同步脉冲接收线（Rxsyn）连接，具体是采样器1（608）与节点1（603）连接，采样器2（609）与节点2（604）连接，采样器3（610）与节点3（605）连接，采样器4（611）与节点4（606）连接。

本应用的一个采样流程如下：计算中心通过Txsyn向协调器的引脚触发出一个同步源脉冲，协调器立刻经天线发送出一个带同步源脉冲信号的广播方式的通信帧，各子节点经天线接收，并解析通信帧后，在Rxsyn引脚上发出一个脉冲给各自采样器，采样器以这个脉冲作为采样启动信号，启动数据采样，采样后的数据通过数据口Data，按AT+SMSG指令传给各自的子节点，DestAddr设为0，TxOptions设为0，TransDataLen设为采样数据的长度，TransData为具体的采样数据。各子节点以协调器为目的地址的单播方式构建数据通信帧，经天线发送给协调器。协调器接收完各节点的采样数据后，就完成一个采样周期。

计算中心还可以通过通信接口Data向协调器发出一个AT+SMSG同步采样指令，其格式AT+SMSG[65535]＝8，0，{}\r\n，协调器立刻经天线发送出一个带同步源脉冲信号的广播方式的通信帧。

计算中心还可以通过通信接口Data控制协调器发送出一个带同步源脉冲信号的群播方式的通信帧，用于使部分设备同步采样。比如格式为AT+SMSG[100]＝8，0，{}\r\n，其中100为节点1和节点2的群地址，这样就能使节点1和节点2同步采样，而其余节点不采样。

计算中心还可以通过通信接口Data控制协调器发送出一个带同步源脉冲信号的单播方式的通信帧，用于使部分设备同步采样。比如格式为AT+SMSG[3]＝8，0，{}\r\n，则只有节点3采样，其他节点不采样。

本实施例在物理层解析同步源脉冲映射域，各个子节点的Rxsyn接收脉冲的同步性能达到99%小于150纳秒。

Claims (8)

1.一种采用脉冲映射域实现同步的方法和***，包括同步的方法，以及固化了实现本发明方法的通信处理软件的多个设备构成的同步***；

所述的同步的方法，其特征是构建一数字化通信帧，在通信帧的控制域中设置一脉冲映射域，用脉冲映射域的值来表明是否携带同步源脉冲信号；其另一个特征，是在接收解码时，利用同步字的解析结果与脉冲映射域的值进行位域运算，控制接收到通信帧后是否输出同步脉冲；

所述的实现同步的***，由一个同步源发送设备和至少二个同步接收设备组成。

2.权利要求1所述的通信帧，至少包含以下要素：前导码、同步字、长度域、控制域、负载域和校验域；所述的控制域，至少包含以下要素：帧类型、脉冲映射域、网络识别号和目的地址。

3.权利要求1所述的同步源脉冲信号，是指用于触发不同设备在同一时刻同步执行的同步信号，其形式是具有上升沿或下降沿的脉冲，或者是一个同步指令。

4.权利要求1所述的实现同步的方法，其发送方法是：通过通用输入输出口接收同步源脉冲信号，或者通过通信口接收同步指令输入，然后按通信帧格式构建通信帧，设置脉冲映射域的值，填充网络识别号、目的地址信息和校验域，并序列化后发送到物理媒体中；物理媒体是指有线通信的通信线缆，或者是无线通信的无线信道。

5.权利要求1所述的实现同步的方法，其接收方法是：从物理媒体接收到通信帧后，如果通信帧的同步字解析成功，并且控制域中的脉冲映射域的值为携带同步源脉冲信号，则检验网络识别号及目的地址与本地的网络识别号及本地地址是否一致，如果一致，则通过延时，自动消除自身与最远节点的距离差导致的同步误差后，输出脉冲信号；如果同步字解析失败，或者脉冲映射域的值为不携带同步源脉冲信号，或者网络识别号与本地网络识别号不一致，或者目的地址与本地地址不一致，则不输出脉冲信号。

6.权利要求1所述的同步源发送设备，是指由同步源脉冲信号所触发，并能按权利要求4所述同步方法，发送出携带有脉冲映射域的通信帧的设备；所述的同步接收设备，是指能接收通信帧，并能按权利要求5所述同步方法，输出上升沿或者下降沿脉冲信号的设备。

7.权利要求1所述的同步的***，适用于星形网络、树形网络、网状网络的网络拓朴模式，网络中的任何一个设备都可以做为同步源发送设备，当一个设备成为同步源发送设备后，其余设备都可成为同步接收设备。

8.权利要求1所述的同步的***，同步源发送设备可以通过设置不同的目的地址，达到广播，群播，单播同步脉冲信号的目的。