專利名稱：串行數(shù)據(jù)實時采集標時方法
技術領域：
本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)采集領域，是一種利用信號處理技術、計算機技術、DSP技術、GPS授時技術等實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)實時采集與標時的方法。該方法能同時滿足四通道串行數(shù)據(jù)的并行實時采集，并可為接收的每一字節(jié)數(shù)據(jù)標注采集瞬時的時間，采集數(shù)據(jù)與該數(shù)據(jù)采集時間信息一起打包暫存在設備緩存中，并可實時上傳至PC機保存，標時精度能夠達到+ 0.2ms ο
背景技術：
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務是采集不同場合的模擬信號。該任務有兩個步驟:首先通過A/D轉換器，把采集到的模擬信號轉化為計算機可以識別的數(shù)字信號并輸入到計算機中。然后，計算機對數(shù)據(jù)進行顯示分析，從而達到了對相應的物理量進行監(jiān)控的目的。但在一些特殊應用場合中，需將分布在不同位置的數(shù)據(jù)采集設備所采集到的數(shù)據(jù)進行比較，分析輸入信息與輸出信息的對應關系，由于各采集設備所采集到的數(shù)據(jù)起始時間不盡相同，以及數(shù)據(jù)采集的接口類型、波特率等的不一致，使得采集到的輸入信息與輸出信息的對應關系難以確定。本發(fā)明利用對所采集到的每一字節(jié)數(shù)據(jù)標記實時時間的方法，通過比較采集數(shù)據(jù)時間的一致性解決輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的對應關系。數(shù)據(jù)標記時間采用GPS統(tǒng)一授時的UTC時間，便于將采集到的數(shù)據(jù)及時間與其他設備采集到得數(shù)據(jù)及時間進行比較。GPS衛(wèi)星向用戶不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，它不僅是傳統(tǒng)的高精度全球定位系統(tǒng)，也是高精度的實時時間信號源。GPS接收機接收衛(wèi)星發(fā)射的時間信息數(shù)據(jù)，按照NMEA協(xié)議解析數(shù)據(jù)，包括UTC時間、經(jīng)度、緯度、海拔等信息。此外接收機都有一個輸出端專門輸出Ipps (秒脈沖)信號，其脈沖寬度一般在ms量級。高電平上升沿為秒脈沖輸出的精確時刻，對應接收機串口輸出的UTC時間，與標準時間的最大誤差不超過lus。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明不同于普通的數(shù)據(jù)采集裝置，本發(fā)明的突出特點:在普通數(shù)據(jù)采集電路的基礎上增加了 GPS模塊，由GPS模塊提供的UTC時間和將秒脈沖信號進行分頻來提供內(nèi)部時間，可以為采集到的每一字節(jié)數(shù)據(jù)標記實時時間。本發(fā)明由數(shù)據(jù)采集裝置、被測系統(tǒng)以及外圍設備組成。本發(fā)明的技術方案參見圖1、圖2。系統(tǒng)連接參見圖1，該系統(tǒng)由被測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集裝置、外圍設備等組成一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，外圍設備包括GPS天線、電源、電光轉換模塊和PC機。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用市電5V適配器供電。數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)部硬件設計方案參見圖2，采用核心板加底板的結構設計，核心板通過DDR2筆記本內(nèi)存條插槽S0DIMM200與底板連接起來。底板主要為外圍采集電路，用于接收串行信號，包括RS232/RS485/RS422/光纖接口、電源模塊、GPS模塊、多路選擇器、UART協(xié)議選擇電路等。核心版選用DSP處理器Blackf in548，使用其自帶的四路UART接口與底板上的串行信息接口相連接收外部信息。通過底板上的UART協(xié)議選擇電路，可選擇不同的通信協(xié)議，如RS232、RS485、RS422或光纖；使用核心板自帶的IIC接口接收GPS的NMEA協(xié)議信息，解析UTC時間；使用中斷引腳接收秒脈沖信號，校正內(nèi)部分頻定時器；使用核心板上的USB2.0Client接口連接PC機，通過PC機控制采集器工作狀態(tài)，并將采集的信息上傳到PC機中加以保存和處理。本發(fā)明的特征在于該方法還依次包括下述方法:串行數(shù)據(jù)實時采集標時方法，其特征在于:采集裝置包括串行數(shù)據(jù)采集電路構成的底板和DSP芯片構成的核心板，并在底板電路中加入GPS模。該方法具體如下:系統(tǒng)底板完成串行信號采集任務，并將采集信號傳送至核心板:首先根據(jù)被測系統(tǒng)通信協(xié)議選擇底板上不同的接口類型(RS232/RS485/RS422/光纖接口)，然后由選通控制電路根據(jù)選擇的通信協(xié)議選通相應接口類型，為防止外接串行信號對設備的核心電路的影響及串行數(shù)據(jù)之間互相干擾，采用信號隔離和電源隔離的設計方法，數(shù)據(jù)經(jīng)過隔離電路，最后再傳送到核心板。核心板完成采集數(shù)據(jù)存儲及標時處理任務，核心板選用Blackfin548DSP處理器。首先，使用核心板自帶的4路UART信息，直接接通四路串口，保證數(shù)據(jù)采集可靠性的條件下提高了接收數(shù)據(jù)的速度；其次，；采用占優(yōu)式的軟件設計思想，設定UART數(shù)據(jù)采集的優(yōu)先級最高，當有數(shù)據(jù)到來時，任何其他任務都將被打斷而執(zhí)行UART數(shù)據(jù)采集任務。最后，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部時間，在完成每字節(jié)數(shù)據(jù)采集的瞬間為數(shù)據(jù)標記上時間戳一起保存。該方法的內(nèi)部實時時鐘為系統(tǒng)提供精確的時間:內(nèi)部實時時鐘由UTC時間和定時器兩部分構成。首先，使用核心板自帶的IIC接口接收GPS的NMEA協(xié)議信息，解析出UTC時間，即時、分、秒一級的時間；其次，使用外部中斷引腳接收秒脈沖信號，保證秒脈沖信號的準確性；然后，采用分頻技術，將秒脈沖分為5000-10000份，即設定0.1-0.2毫秒定時器，毫秒計數(shù)器由I加到5000-10000后自動清零并開始下周期計數(shù)；然后，使用秒脈沖信號每秒校準定時器，消除晶振漂移對內(nèi)部時鐘精度的影響；最后，將UTC時間和定時器時間共同組成系統(tǒng)內(nèi)部時鐘，在每字節(jié)數(shù)據(jù)采集完成的同時為其標記時間戳，標時精度為±0.2-0.4毫秒。本發(fā)明因為現(xiàn)有設備精度的問題，所以將秒脈沖分為5000-10000份，過高設備精度難以達到；過低無法體現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)勢。本發(fā)明采用GPS提供的UTC時間和秒脈沖信號實時校正分頻時間信息的方法提供系統(tǒng)內(nèi)部時間信息。首先，使用接收到的UTC時間提供基準時間，時間格式為hh:mm:ss，時間可精確到秒一級。然后，采用分頻技術由設備DSP內(nèi)部定時器將整秒進行拆分，提供精確到毫秒級的時間。最后，將二者合成為系統(tǒng)時間，并利用GPS秒脈沖對系統(tǒng)內(nèi)部定時器進行實時校正，保證時間精度。


圖1是系統(tǒng)原理圖；圖2是系統(tǒng)硬件設計方案；圖3是串行數(shù)據(jù)采集電路；圖4是內(nèi)部時間合成原理圖；圖5是毫秒計數(shù)器校準示意圖；圖6是系統(tǒng)數(shù)據(jù)流示意圖7是雙緩沖區(qū)交替保存模式工作原理圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施中需將被測設備、數(shù)據(jù)采集設備(包括電源、GPS天線、USB數(shù)據(jù)線等)、PC機相連，啟動設備后即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集與標時，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至PC機中，供數(shù)據(jù)后續(xù)比較分析使用。具體實施中，參見圖1，首先將光纖接頭(或RS485/422/RS232串口線)與被測設備連接好，將另一接頭依次接至通道“Chl”、“Ch2”、“Ch3”和“Ch4”(參見圖2);其次將GPS天線接至GPS接口 ；然后將電源適配器接至電源接口，并打開電源開關；最后將USB數(shù)據(jù)線一端接至采集設備，另一端與PC機(上位機)相連，打開PC機運行界面，選擇合適的通道、接口類型、波特率等即可開始采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)底板主要完成串行信號采集任務。底板上主要是串行數(shù)據(jù)采集電路，參見圖
3。該方法有三個步驟:步驟a:根據(jù)被測系統(tǒng)通信協(xié)議選擇底板上不同的接口類型(RS232/RS485/RS422/光纖接口)；步驟b:①各接口采集的數(shù)據(jù)通過不同的電平轉換芯片輸入到輸入選通電路；(D輸入選通電路由選通控制電路控制，同一時刻只有一種接口類型通路將被選通；步驟c:①為防止外接串行信號對設備的核心電路的影響及串行信號之間相互干擾，采集數(shù)據(jù)由輸入選通電路經(jīng)隔離電路后再傳送到核心板；②隔離電路主要分為信號隔離和電源隔離兩部分，系統(tǒng)使用光電耦合器實現(xiàn)信號的隔離；使用四路隔離變壓器，隔離出四路獨立的5V電源分別給四路采集電路供電。2)核心板主要完成采集數(shù)據(jù)存儲及標時處理任務，該方法包含三個步驟:a.使用核心板自帶的4路UART信息，直接接通四路串口，保證數(shù)據(jù)采集可靠性的條件下提高了接收數(shù)據(jù)的速度；b.系統(tǒng)軟件采用占優(yōu)式的設計思想，設定UART數(shù)據(jù)采集的優(yōu)先級最高，當有數(shù)據(jù)到來時，任何其他任務都將被打斷而執(zhí)行UART數(shù)據(jù)采集任務。c.根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部時間，在完成每字節(jié)數(shù)據(jù)采集的瞬間為數(shù)據(jù)標記上時間戳一起保存。3)該方法的內(nèi)部實時時鐘為系統(tǒng)提供精確的時間。內(nèi)部實時時鐘由UTC時間和定時器兩部分構成，參見圖4。該方法包括以下三個步驟:a.系統(tǒng)使用核心板自帶的IIC接口接收GPS的NMEA協(xié)議信息，解析出UTC時間，即時、分、秒一級的時間；b.毫秒級的時間采用分頻技術，通過內(nèi)部0.1毫秒定時器模擬實時時鐘獲得，由GPS秒脈沖信號觸發(fā)毫秒定時器的起始，并且每秒進行校準。步驟b包括:①系統(tǒng)使用核心板提供的內(nèi)部定時工作模式模擬內(nèi)部實時時鐘，設定0.1毫秒中斷一次，中斷服務程序使毫秒計數(shù)器自加1，加到10000后，毫秒計數(shù)器清零開始下周期計數(shù)；②為消除晶振漂移對內(nèi)部時鐘精度的影響，系統(tǒng)中采用GPS模塊輸出的秒脈沖信號上升沿校準內(nèi)部時鐘，使上一秒內(nèi)積累的誤差在下一秒開始時消除，不會產(chǎn)生累計。在正常情況下，毫秒計數(shù)器計數(shù)到10000，恰好是秒脈沖產(chǎn)生的時刻，此時不需要修正內(nèi)部時間。在不同情況下，由晶振所引起的誤差是不同的，參見圖5，在異常I的情況下，晶振的實際頻率大于標準頻率，則計數(shù)器提前計數(shù)到10000，在下一個秒脈沖到來之時，將計數(shù)器清零并重新開始計數(shù)。在異常2的情況下，晶振的實際頻率小于標準頻率，在秒脈沖來臨的時候，計數(shù)器只計數(shù)到了 9999。與異常I相同，秒脈沖將計數(shù)器清零并重新計數(shù)，使定時誤差只能在I秒內(nèi)積累。③使用外部中斷引腳接收秒脈沖信號保證秒脈沖信號的準確性。4)系統(tǒng)中，被采集數(shù)據(jù)從UART 口和內(nèi)部的RTC (實時時鐘)流向SDRAM，在SDRAM中匯總后，再經(jīng)過USB上傳給PC機，參見圖6。數(shù)據(jù)在SDRAM這個結點要進行輸入、輸出和保存操作，而且頻繁發(fā)生。為避免數(shù)據(jù)沖突，采用雙緩沖區(qū)交替保存模式，開辟兩個緩沖區(qū)，一個接收UART和RTC發(fā)送的數(shù)據(jù)，另一個通過USB向PC機傳輸數(shù)據(jù)，將輸入和輸出的操作對象分開。參見圖7，UART和RTC的數(shù)據(jù)流與USB的數(shù)據(jù)流不共用同一個緩沖區(qū)，而且其對應的緩沖區(qū)也是不固定的，即UART和RTC不一定一直對應Bufferl操作，而USB也不一定一直對應BufTerf操作，“入”和“出”所對應的緩沖區(qū)是交替的。
權利要求
1.串行數(shù)據(jù)實時采集標時方法，其特征在于:采集裝置包括串行數(shù)據(jù)采集電路構成的底板和DSP芯片構成的核心板，并在底板電路中加入GPS模；該方法具體如下: 系統(tǒng)底板完成串行信號采集任務，并將采集信號傳送至核心板:首先根據(jù)被測系統(tǒng)通信協(xié)議選擇底板上不同的接口類型，然后由選通控制電路根據(jù)選擇的通信協(xié)議選通相應接口類型，采用信號隔離和電源隔離的設計方法，數(shù)據(jù)經(jīng)過隔離電路，最后再傳送到核心板；核心板完成采集數(shù)據(jù)存儲及標時處理任務:首先，使用核心板自帶的4路UART信息，直接接通四路串口 ；其次，采用占優(yōu)式的軟件設計思想，設定UART數(shù)據(jù)采集的優(yōu)先級最高，當有數(shù)據(jù)到來時，任何其他任務都將被打斷而執(zhí)行UART數(shù)據(jù)采集任務；最后，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部時間，在完成每字節(jié)數(shù)據(jù)采集的瞬間為數(shù)據(jù)標記上時間戳一起保存； 該方法的內(nèi)部實時時鐘為系統(tǒng)提供精確的時間:內(nèi)部實時時鐘由UTC時間和定時器兩部分構成:首先，使用核心板自帶的IIC接口接收GPS的NMEA協(xié)議信息，解析出UTC時間，即時、分、秒一級的時間；其次，使用外部中斷引腳接收秒脈沖信號，保證秒脈沖信號的準確性；然后，采用分頻技術，將秒脈沖分為5000-10000份，即設定0.1-0.2毫秒定時器，毫秒計數(shù)器由I加到5000-10000后自動清零并開始下周期計數(shù)；然后，使用秒脈沖信號每秒校準定時器，消除晶振漂移對內(nèi)部時鐘精度的影響；最后，將UTC時間和定時器時間共同組成系統(tǒng)內(nèi)部時鐘，在每字節(jié)數(shù)據(jù)采集完成的同時為其標記時間戳，標時精度為±0.2-0.4msο
全文摘要
本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)采集領域。串行數(shù)據(jù)實時采集標時方法，采集裝置包括串行數(shù)據(jù)采集電路構成的底板和DSP芯片構成的核心板，并在底板電路中加入GPS模。系統(tǒng)底板完成串行信號采集任務，并將采集信號傳送至核心板核心板完成采集數(shù)據(jù)存儲及標時處理任務，采用占優(yōu)式的軟件設計思想，設定UART數(shù)據(jù)采集的優(yōu)先級最高，當有數(shù)據(jù)到來時，任何其他任務都將被打斷而執(zhí)行UART數(shù)據(jù)采集任務。該方法的內(nèi)部實時時鐘為系統(tǒng)提供精確的時間內(nèi)部實時時鐘由UTC時間和定時器兩部分構成。采集數(shù)據(jù)與該數(shù)據(jù)采集時間信息一起打包暫存在設備緩存中，并可實時上傳至PC機保存，標時精度能夠達到±0.2ms。
文檔編號G06F13/42GK103207851SQ20131008435
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權日2013年3月15日
發(fā)明者毛征, 楊俊強, 曹峰 申請人:北京工業(yè)大學