CN113267186A - 一种数据同步采集***及数据同步采集方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种数据同步采集***及数据同步采集方法。***包括GNSS板卡、IMU、FPGA和采集板；GNSS板卡和IMU均与FPGA连接，GNSS板卡和IMU均与采集板连接。GNSS板卡将PPS同时传输给FPGA和采集板，并向采集板传输GNSS数据；FPGA根据PPS的上升沿产生同步脉冲序列，并将同步脉冲序列发送给IMU；IMU根据同步脉冲序列采集IMU数据，将IMU数据传输给采集板，向采集板发送TOV脉冲；采集板用于根据接收到的秒脉冲PPS和TOV脉冲对IMU数据和GNSS数据进行时间同步。FPGA产生高精度同步脉冲提高计数精度。同步脉冲序列的脉冲沿与PPS脉冲沿是对齐，提高时间同步精度。

Description

一种数据同步采集***及数据同步采集方法
技术领域
本申请涉及通信技术领域，特别是涉及一种数据同步采集***及数据同步采集方法。
背景技术
在以机载方式采集数据的技术领域，机载端通常需要采集高精度的位姿数据。依据位姿数据来进行航迹和姿态的解算。以记载激光雷达为例，通过解算出的航姿和姿态数据可以生成点云数据。
机载端采集的位姿数据通常包括：全球导航卫星***（Global NavigationSatellite System，GNSS）提供的导航数据和惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）提供的惯导数据。导航数据在下文简称GNSS数据，惯导数据在下文简称IMU数据。GNSS数据自带精确的卫星同步时间，因此要求IMU数据与GNSS数据时间同步。
图1示出了一种现有的数据同步采集***，该***包括GNSS板卡、IMU和采集板。IMU配置为固定采样率，利用GNSS板卡输出的时间同步信号脉冲进行同步。其中，时间同步信号脉冲是秒脉冲（pulses per second，PPS），即脉冲周期是1秒，下文以PPS作为时间同步信号脉冲的简称。IMU向采集板提供的脉冲称为时间有效（Time of Validity，TOV）脉冲。
在图1所示的***中，采集板捕捉PPS，重置采集板内部的计数器。采集板捕捉IMU提供的TOV脉冲，以TOV脉冲触发内部中断并读取当前计数值，换算出时间。然后，采集板读取下一帧IMU数据，将前面换算出的时间作为该帧IMU数据的同步时间。
在图1***中，通过采集板单片机的内部时钟进行计数，然后用计数值乘以时钟周期作为IMU数据的同步时间。该***存在以下缺陷：首先，单片机通常使用石英振荡器或者内部RC时钟作为脉冲源，脉冲周期的精度有限。其次，图2示出了PPS与单片机内部时钟的脉冲，PPS的脉冲沿与内部时钟的脉冲沿不是对齐的，即图2中的延迟时间T是未知的。综合以上两点，现有技术方案中对IMU数据和GNSS数据的时间同步精度不足。时间同步精度差会影响最终形成的点云数据的精度。目前机载激光雷达技术在测绘、农业植保、林业调查和电力巡检等领域都有广泛的应用。以测绘为例，点云数据的精度不足在多航带测绘过程中会导致航带之间的重叠部分无法对齐，很可能导致数据无法达到验收质量。
发明内容
基于上述问题，本申请提供了一种数据同步采集***及数据同步采集方法，以解决IMU数据和GNSS数据的时间同步精度较低的问题。
本申请实施例公开了如下技术方案：
本申请第一方面提供了一种数据同步采集***，包括：全球导航卫星***GNSS板卡、惯性测量单元IMU、现场可编程逻辑门阵列FPGA和采集板；所述GNSS板卡和所述IMU均与所述FPGA连接，且所述GNSS板卡和所述IMU均与所述采集板连接；
所述GNSS板卡用于将秒脉冲PPS同时传输给所述FPGA和所述采集板，并向所述采集板传输GNSS数据；
所述FPGA用于根据所述PPS的上升沿产生同步脉冲序列，并将所述同步脉冲序列发送给所述IMU；所述同步脉冲序列的脉冲频率为依据所述IMU的数据采样率确定；
所述IMU用于根据所述同步脉冲序列采集IMU数据，将所述IMU数据传输给所述采集板，以及根据所述同步脉冲序列向所述采集板发送时间有效TOV脉冲；
所述采集板用于根据接收到的所述PPS和所述TOV脉冲对所述IMU数据和所述GNSS数据进行时间同步。
可选地，所述IMU被配置为外触发模式。
可选地，所述IMU具体用于每接收到所述同步脉冲序列的一个脉冲，进行一次IMU数据的采集和传输。
可选地，所述采集板具体用于将所述TOV脉冲作为内部计数器的时钟源。
可选地，所述采集板还用于当捕捉到所述PPS的上升沿时，将所述内部计数器的计数值重置为0。
可选地，所述采集板具体用于根据在接收到所述IMU数据之前所述内部计数器的计数值，以及所述同步脉冲序列的脉冲周期，确定所述IMU数据与所述GNSS数据的相对同步时间。
可选地，所述同步脉冲序列的首个脉冲的上升沿与所述PPS的上升沿对齐。
可选地，所述同步脉冲序列的首个脉冲的上升沿与所述PPS的上升沿的延迟小于预设阈值，且所述延迟为固定值。
本申请第二方面提供了一种数据同步采集方法，应用于第一方面提供的数据同步采集***；所述方法包括：
所述GNSS板卡将PPS同时传输给所述FPGA和所述采集板，并向所述采集板传输GNSS数据；
所述FPGA根据所述PPS的上升沿产生同步脉冲序列，并将所述同步脉冲序列发送给所述IMU；所述同步脉冲序列的脉冲频率为依据所述IMU的数据采样率确定；
所述IMU根据所述同步脉冲序列采集IMU数据，将所述IMU数据传输给所述采集板，以及根据所述同步脉冲序列向所述采集板发送TOV脉冲；
所述采集板根据接收到的所述PPS和所述TOV脉冲对所述IMU数据和所述GNSS数据进行时间同步。
可选地，所述IMU根据所述同步脉冲序列采集IMU数据，将所述IMU数据传输给所述采集板，具体包括：
所述IMU每接收到所述同步脉冲序列的一个脉冲，进行一次IMU数据的采集和传输。
可选地，采集板根据接收到的PPS和TOV脉冲对IMU数据和GNSS数据进行时间同步，具体包括：
采集板将TOV脉冲作为内部计数器的时钟源；根据在接收到IMU数据之前内部计数器的计数值，以及同步脉冲序列的脉冲周期，确定IMU数据与GNSS数据的相对同步时间；
采集板根据GNSS数据确定第一同步时间；所述第一同步时间与所述PPS的上升沿对应；
采集板根据第一同步时间和相对同步时间得到IMU数据的第二同步时间。
相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：
本申请实施例提供了一种数据同步采集***及数据同步采集方法，所述***包括：全球导航卫星***GNSS板卡、惯性测量单元IMU、现场可编程逻辑门阵列FPGA 和采集板；GNSS板卡和IMU均与FPGA连接，且GNSS板卡和IMU均与采集板连接；GNSS板卡用于将秒脉冲PPS同时传输给FPGA和采集板，并向采集板传输GNSS数据；FPGA用于根据秒脉冲PPS的上升沿产生同步脉冲序列，并将同步脉冲序列发送给IMU；同步脉冲序列的脉冲频率为依据IMU的数据采样率确定；IMU用于根据同步脉冲序列采集IMU数据，将IMU数据传输给采集板，以及向采集板发送TOV脉冲；采集板用于根据接收到的秒脉冲PPS和TOV脉冲对IMU数据和GNSS数据进行时间同步。FPGA产生的高精度同步脉冲引导IMU产生高精度的计数脉冲，提高了计数精度。同时同步脉冲序列的脉冲沿与PPS的脉冲沿是对齐的，也提高了IMU数据和GNSS数据的时间同步精度。从而避免了机载激光雷达***在应用的过程中，因IMU数据和GNSS数据的时间同步精度不足而产生的问题。以测绘为例，避免了点云数据的精度不足带来的在多航带测绘过程中航带之间的重叠部分无法对齐的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种现有的数据同步采集***的结构示意图；
图2为一种秒脉冲PPS与单片机内部时钟的脉冲的边沿示意图；
图3为本申请实施例提供的一种数据同步采集***结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种秒脉冲PPS与FPGA产生的同步脉冲的脉冲边沿示意图；
图5为本申请实施例提供的一种数据同步采集方法流程示意图。
具体实施方式
正如前文描述，目前的数据同步采集***通过采集板单片机的内部时钟进行计数，然后用计数值乘以时钟周期作为IMU数据的同步时间。该***存在以下缺陷。
首先，单片机通常使用石英振荡器或者内部RC时钟作为脉冲源，脉冲周期的精度有限。其次，PPS的脉冲沿与内部时钟的脉冲沿不是对齐的，即延迟时间T是未知的。综合以上两点，现有技术方案中对IMU数据和GNSS数据的时间同步精度不足。时间同步精度不足会影响最终形成的点云数据的精度。
针对上述问题，发明人经过研究提供了一种数据同步采集***及数据同步采集方法。***包括：全球导航卫星***GNSS板卡、惯性测量单元IMU、现场可编程逻辑门阵列FPGA和采集板；GNSS板卡和IMU均与FPGA连接，且GNSS板卡和IMU均与采集板连接；GNSS板卡用于将秒脉冲PPS同时传输给FPGA和采集板，并向采集板传输GNSS数据；FPGA用于根据秒脉冲PPS的上升沿产生同步脉冲序列，并将同步脉冲序列发送给IMU；同步脉冲序列的脉冲频率为依据IMU的数据采样率确定；IMU用于根据同步脉冲序列采集IMU数据，将IMU数据传输给采集板，以及向采集板发送TOV脉冲；采集板用于根据接收到的秒脉冲PPS和TOV脉冲对IMU数据和GNSS数据进行时间同步。以FPGA产生的同步脉冲序列提高了IMU数据和GNSS数据的时间同步精度。
下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例做进一步详细的说明。
参见图3，该图为本申请实施例提供的一种数据同步采集***结构示意图。如图3所示，本申请实施例提供的数据同步采集***，包括：全球导航卫星***GNSS板卡、惯性测量单元IMU、现场可编程逻辑门阵列FPGA300和采集板。其中，所述GNSS板卡和所述IMU均与所述FPGA连接，且所述GNSS板卡和所述IMU均与所述采集板连接。
所述GNSS板卡用于将秒脉冲PPS同时传输给所述FPGA和所述采集板，并向所述采集板传输GNSS数据。所述FPGA用于根据所述秒脉冲PPS的上升沿产生同步脉冲序列，并将所述同步脉冲序列发送给所述IMU；所述同步脉冲序列的脉冲频率为依据所述IMU的数据采样率确定。所述IMU用于根据所述同步脉冲序列采集IMU数据，将所述IMU数据传输给所述采集板，以及根据所述同步脉冲序列向所述采集板发送TOV脉冲。所述采集板用于根据接收到的所述秒脉冲PPS和所述TOV脉冲对所述IMU数据和所述GNSS数据进行时间同步。
可以理解的是，本申请实施例中的FPGA根据秒脉冲PPS产生的同步脉冲为高精度同步脉冲，即该同步脉冲周期的精度较高，解决了单片机通常使用石英振荡器或者内部RC时钟脉冲周期精度有限的问题。
作为一种可能的实施方式，参见图4，该图为本申请实施例提供的一种秒脉冲PPS与FPGA产生的同步脉冲的脉冲边沿示意图。如图4所示，本申请实施例中的同步脉冲序列的首个脉冲的上升沿与所述秒脉冲PPS的上升沿对齐，如此，FPGA产生的同步脉冲与PPS的同步性较好。
作为另一种可能的实施方式，本申请实施例中的同步脉冲序列的首个脉冲的上升沿与所述秒脉冲PPS的上升沿的延迟小于预设阈值，且所述延迟为固定值。可以理解的是，一般情况下预设阈值远小于同步脉冲的周期，且该延迟为一个稳定的值。因此，FPGA产生的同步脉冲与PPS的同步性较好。需要说明的是，根据应用场景的实际要求，可以忽略该延迟，也可以通过测量出该延迟的固定值，对同步脉冲进行处理，使其完全与秒脉冲PPS同步，本申请实施例在此不作限定。
综上所述，FPGA产生的同步脉冲精度较高，且与PPS的同步性较好。
在本申请实施例中，IMU根据所述同步脉冲序列向所述采集板发送TOV脉冲。具体地，IMU接收到FPGA产生的同步脉冲后，开始向采集板发送TOV脉冲，且TOV脉冲与FPGA产生的同步脉冲的频率相等，TOV脉冲与FPGA产生的同步脉冲周期相同。在本申请实施例中，IMU为外触发模式，作为一种可能的实施方式，IMU每接收到所述同步脉冲序列的一个脉冲，进行一次IMU数据的采集和传输。由此可见，一个TOV脉冲对应对于IMU数据的一次采集和发送。
为了计算IMU数据的同步时间，在本申请实施例中，采集板将所述TOV脉冲作为内部计数器的时钟源。采集板还用于当捕捉到所述秒脉冲PPS的上升沿时，将所述内部计数器的计数值重置为0。在本申请实施例中，秒脉冲PPS与GNSS数据是同时发送的，采集板捕捉到所述秒脉冲PPS的上升沿时，采集板同时收到GNSS数据，此时将内部计数器的计数值重置为0。然后，采集板根据在接收到IMU数据之前内部计数器的计数值，以及同步脉冲序列的脉冲周期，确定IMU数据与GNSS数据的相对同步时间；如此，可以计算IMU数据和GNSS数据的相对同步时间。
下面介绍一种计算IMU数据和GNSS数据的相对同步时间的具体方式：采集板将TOV脉冲作为内部计数器的时钟源，通过TOV脉冲进行计数从而计算出与TOV脉冲同步发送的IMU数据的同步时间，作为一种可能的实施方式，通过TOV脉冲进行计数可以包括计数TOV脉冲的上升沿，如此，采集板记录当前的计数值N，获取TOV脉冲的脉冲周期∆T，从而计算与下一个TOV脉冲同时发送的IMU数据的同步时间TN=N*∆T。
本申请实施所提供的方法不仅可以计算TOV脉冲同步发送的IMU数据的相对同步时间，还可以计算TOV脉冲同步发送的IMU数据的绝对同步时间。具体的，采集板可以根据GNSS数据获得的第一同步时间（绝对时间）。获取的是绝对时间的整秒数，该整秒数与秒脉冲PPS上升沿是对应的。采集板还可以根据第一同步时间和相对同步时间得到IMU数据的第二同步时间。
由此可知，本申请实施例所提供的***利用现场可编程逻辑门阵列FPGA产生的高精度同步脉冲生成高精度的计数脉冲源，提高了用于计数的脉冲周期的精度，同时该脉冲源的脉冲沿与PPS的脉冲沿是对齐的，或者延迟时间T是固定已知的。如此，提高了IMU数据和GNSS数据的时间同步精度，避免了机载激光雷达***在应用的过程中，因为IMU数据和GNSS数据的时间同步精度不足而产生的问题。以测绘为例，避免了点云数据的精度不足带来的在多航带测绘过程中航带之间的重叠部分无法对齐的问题。
根据上述实施例所提供的数据同步采集***，本申请实施例还提供了一种数据同步采集方法。参见图5，该图为本申请实施例提供的一种数据同步采集方法流程示意图。如图5所示，本申请实施例提供的一种数据同步采集方法，包括如下步骤S501至步骤S504：
S501:所述GNSS板卡将秒脉冲PPS同时传输给所述FPGA和所述采集板，并向所述采集板传输GNSS数据。
S502:所述FPGA根据所述秒脉冲PPS的上升沿产生同步脉冲序列，并将所述同步脉冲序列发送给所述IMU；所述同步脉冲序列的脉冲频率为依据所述IMU的数据采样率确定。
S503:所述IMU根据所述同步脉冲序列采集IMU数据，将所述IMU数据传输给所述采集板，以及根据所述同步脉冲序列向所述采集板发送TOV脉冲。
S504:所述采集板根据接收到的所述秒脉冲PPS和所述TOV脉冲对所述IMU数据和所述GNSS数据进行时间同步。
作为一种可能的实施方式，所述IMU根据所述同步脉冲序列采集IMU数据，将所述IMU数据传输给所述采集板，具体包括：所述IMU每接收到所述同步脉冲序列的一个脉冲，进行一次IMU数据的采集和传输。
作为一种可能的实施方式，采集板根据接收到的秒脉冲PPS和TOV脉冲对IMU数据和GNSS数据进行时间同步，具体包括：采集板将TOV脉冲作为内部计数器的时钟源；根据在接收到IMU数据之前内部计数器的计数值，以及同步脉冲序列的脉冲周期，确定IMU数据与GNSS数据的相对同步时间；采集板根据GNSS数据确定第一同步时间；所述第一同步时间与所述秒脉冲PPS的上升沿对应；采集板根据第一同步时间和相对同步时间得到IMU数据的第二同步时间。
由此可知，本申请实施例所提供的方法利用现场可编程逻辑门阵列FPGA产生的高精度同步脉冲生成高精度的计数脉冲源，提高了用于计数的脉冲周期的精度，同时该脉冲源的脉冲沿与PPS的脉冲沿是对齐的，或者延迟时间T是固定已知的。如此，提高了IMU数据和GNSS数据的时间同步精度 。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种数据同步采集***，其特征在于，包括：全球导航卫星***GNSS板卡、惯性测量单元IMU、现场可编程逻辑门阵列FPGA和采集板；所述GNSS板卡和所述IMU均与所述FPGA连接，且所述GNSS板卡和所述IMU均与所述采集板连接；
所述GNSS板卡用于将秒脉冲PPS同时传输给所述FPGA和所述采集板，并向所述采集板传输GNSS数据；
所述FPGA用于根据所述PPS的上升沿产生同步脉冲序列，并将所述同步脉冲序列发送给所述IMU；所述同步脉冲序列的脉冲频率为依据所述IMU的数据采样率确定；
所述IMU用于根据所述同步脉冲序列采集IMU数据，将所述IMU数据传输给所述采集板，以及根据所述同步脉冲序列向所述采集板发送时间有效TOV脉冲；
所述采集板用于根据接收到的所述PPS和所述TOV脉冲对所述IMU数据和所述GNSS数据进行时间同步。
2.根据权利要求1所述的数据同步采集***，其特征在于，所述IMU被配置为外触发模式。
3.根据权利要求1或2所述的数据同步采集***，其特征在于，所述IMU具体用于每接收到所述同步脉冲序列的一个脉冲，进行一次IMU数据的采集和传输。
4.根据权利要求1或2所述的数据同步采集***，其特征在于，所述采集板具体用于将所述TOV脉冲作为内部计数器的时钟源。
5.根据权利要求4所述的数据同步采集***，其特征在于，所述采集板还用于当捕捉到所述PPS的上升沿时将所述内部计数器计数值重置为0。
6.根据权利要求5所述的数据同步采集***，其特征在于，所述采集板具体用于根据在接收到所述IMU数据之前所述内部计数器的计数值，以及所述同步脉冲序列的脉冲周期，确定所述IMU数据与所述GNSS数据的相对同步时间。
7.根据权利要求1、2、5或6中任一项所述的数据同步采集***，其特征在于，所述同步脉冲序列的首个脉冲的上升沿与所述PPS的上升沿对齐。
8.根据权利要求1、2、5或6中任一项所述的数据同步采集***，其特征在于，所述同步脉冲序列的首个脉冲的上升沿与所述PPS的上升沿的延迟小于预设阈值，且所述延迟为固定值。
9.一种数据同步采集方法，其特征在于，应用于权利要求1-8任一项所述的数据同步采集***；所述方法包括：
步骤1、所述GNSS板卡将PPS同时传输给所述FPGA和所述采集板，并向所述采集板传输GNSS数据；
步骤2、所述FPGA根据所述PPS的上升沿产生同步脉冲序列，并将所述同步脉冲序列发送给所述IMU；所述同步脉冲序列的脉冲频率为依据所述IMU的数据采样率确定；
步骤3、所述IMU根据所述同步脉冲序列采集IMU数据，将所述IMU数据传输给所述采集板，以及根据所述同步脉冲序列向所述采集板发送TOV脉冲；
步骤4、所述采集板根据接收到的所述PPS和所述TOV脉冲对所述IMU数据和所述GNSS数据进行时间同步。
10.根据权利要求9所述的数据同步采集方法，其特征在于，所述IMU根据所述同步脉冲序列采集IMU数据，将所述IMU数据传输给所述采集板，具体包括：
所述IMU每接收到所述同步脉冲序列的一个脉冲，进行一次IMU数据的采集和传输。
11.根据权利要求9或10的数据同步采集方法，其特征在于，所述采集板根据接收到的所述PPS和所述TOV脉冲对所述IMU数据和所述GNSS数据进行时间同步，具体包括：
采集板将TOV脉冲作为内部计数器的时钟源；根据在接收到IMU数据之前内部计数器的计数值，以及同步脉冲序列的脉冲周期，确定IMU数据与GNSS数据的相对同步时间；
采集板根据GNSS数据确定第一同步时间；所述第一同步时间与所述PPS的上升沿对应；
采集板根据第一同步时间和相对同步时间得到IMU数据的第二同步时间。
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