無(wú)線數(shù)據(jù)采集時(shí)間同步協(xié)議研究與工程應(yīng)用

楊 柳,彭長(zhǎng)宇

(1.成都大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心,四川成都 610106;2.成都大學(xué)教務(wù)處,四川成都 610106)

0 引 言

傳統(tǒng)工程勘探中,一般采用有線方式傳輸采集到的數(shù)據(jù),由導(dǎo)線帶來(lái)的時(shí)間同步誤差較小,在研制儀器的過程中可不必考慮非同步效應(yīng)[1].隨著工程勘探環(huán)境的日益復(fù)雜,無(wú)線數(shù)據(jù)采集技術(shù)以其可移動(dòng)性、架設(shè)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際作業(yè)中表現(xiàn)出極大優(yōu)勢(shì)[2,3],但由此帶來(lái)了無(wú)線傳輸?shù)耐骄葐栴},提高時(shí)間同步精度成為物探裝備研制的關(guān)鍵技術(shù)[4],而在相關(guān)性很強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,高精度時(shí)間同步是許多應(yīng)用的必需條件[1,2].

目前,工程地質(zhì)勘探中的數(shù)據(jù)采集技術(shù),面臨著各通道之間的時(shí)間同步難題.基于此,本文提出采用專用射頻芯片,實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)勘探測(cè)量中彈性波信號(hào)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集,并在微控制器(MCU)的指揮下配合時(shí)間同步協(xié)議,以提高數(shù)據(jù)采集的時(shí)間同步精度.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集與無(wú)線傳輸2個(gè)環(huán)節(jié),其原理框圖如圖1所示.本文重點(diǎn)研究無(wú)線傳輸系統(tǒng),從提高無(wú)線時(shí)間同步精度的目標(biāo)出發(fā),著重對(duì)其結(jié)構(gòu)組成、時(shí)間同步誤差來(lái)源、提高時(shí)間同步精度措施、硬件、軟件設(shè)計(jì)等進(jìn)行論述.

圖1 系統(tǒng)采集、傳輸原理框圖

圖1中左半部分為無(wú)線采集卡,其功能是實(shí)現(xiàn)彈性波信號(hào)的數(shù)字量化并進(jìn)行無(wú)線傳輸.它由檢波器(38 Hz垂直檢波器)拾取彈性波信號(hào),由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)的變換,調(diào)理電路主要包括前置放大器和單轉(zhuǎn)差分信號(hào)電路,以匹配ADC的輸入特性.ADC接收來(lái)自信號(hào)調(diào)理電路輸入的差分信號(hào),在MCU的控制下進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換;Vref電路為AD采樣提供高精度穩(wěn)定參考電壓基準(zhǔn);無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)采集卡與主機(jī)的雙向通信,包括轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送和命令的接收.

圖1中右半部分為主機(jī)接收站,MCU通過無(wú)線模塊完成對(duì)各采集卡的控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)接收,采用FT245BM芯片實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的USB2.0實(shí)時(shí)傳輸[5],信號(hào)處理部分在上位機(jī)通過VC編程實(shí)現(xiàn).

此外,根據(jù)工程地質(zhì)勘探施工環(huán)境的不同,我們選用個(gè)數(shù)不等的無(wú)線采集卡,配合主機(jī)完成勘探任務(wù).同時(shí),整個(gè)系統(tǒng)從降噪、穩(wěn)定參考電壓等方法上保證了ADC的有效分辨率,系統(tǒng)采用專用無(wú)線模塊nRF905[6]實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸,打破傳統(tǒng)工程勘探有線傳輸?shù)膯我痪置?為工程地質(zhì)勘探施工帶來(lái)極大便利.

2 無(wú)線時(shí)間同步協(xié)議

2.1 時(shí)間同步誤差分析

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程為:主機(jī)向各采集卡(從機(jī))發(fā)送命令,各采集卡接收到命令之后進(jìn)行指令解析,判斷出是采集命令后啟動(dòng)采集程序,并記錄當(dāng)前采集時(shí)間,當(dāng)接收到主機(jī)的數(shù)據(jù)回傳命令時(shí),對(duì)應(yīng)采集卡將采集的數(shù)據(jù)打包、壓縮,加上報(bào)頭(自身ID號(hào))一并發(fā)送.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

分析數(shù)據(jù)采集過程可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生時(shí)間不同步的2個(gè)環(huán)節(jié):一是各采集卡接收主機(jī)指令時(shí)間不一致;二是各采集卡解析指令(采集和回傳數(shù)據(jù)指令)時(shí)間不一致,此導(dǎo)致采集卡采集到的信息并不是一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的.造成第一個(gè)時(shí)延差的因素較多,如主機(jī)到各從機(jī)的物理距離不一致(這個(gè)條件在近距離無(wú)線傳輸中可以忽略),選用的無(wú)線模塊通過不斷切換頻點(diǎn)來(lái)與各模塊通信(切換產(chǎn)生主要時(shí)延差)等.而造成第二個(gè)時(shí)延差的主要環(huán)節(jié)在于無(wú)線模塊本身解析指令存在時(shí)延差,其大小一般在μs級(jí).

時(shí)間同步誤差產(chǎn)生的后果是給后續(xù)數(shù)據(jù)處理和解釋帶來(lái)較大誤差,嚴(yán)重的情況將導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論.

2.2 提高時(shí)間同步精度的措施

要解決時(shí)間同步問題,理論上必須做到2點(diǎn):一是保證各采集模塊接收到主機(jī)指令的時(shí)間差為零;二是保證各無(wú)線模塊對(duì)主機(jī)指令的解析耗時(shí)一致.我們?cè)谙到y(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),采取了如下的具體措施:

(1)針對(duì)第一個(gè)時(shí)延差(即采集卡接收主機(jī)指令時(shí)間不一致).此系統(tǒng)選用的nRF905模塊具有獨(dú)特的地址匹配監(jiān)測(cè)AM(Address Match)功能[7],當(dāng)接收到與自身地址號(hào)(也就是數(shù)據(jù)采集通道號(hào))相同的信息時(shí),產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷信號(hào),通知MCU進(jìn)行處理,其響應(yīng)時(shí)間極短(提高單片機(jī)時(shí)鐘頻率后可忽略不計(jì)).另外,主機(jī)向各從機(jī)發(fā)送指令時(shí),不必切換頻點(diǎn),只需更換報(bào)頭(AM1、AM2…),以此來(lái)節(jié)省大量指令時(shí)間,達(dá)到控制時(shí)延差的目的.

(2)針對(duì)第二個(gè)時(shí)延差(無(wú)線模塊本身解析指令時(shí)延差),系統(tǒng)設(shè)計(jì)了時(shí)間同步模式預(yù)調(diào)整進(jìn)程,即每次采集之前啟動(dòng)時(shí)間同步模式進(jìn)程,進(jìn)行時(shí)間同步模式調(diào)整.具體做法為:在時(shí)間同步模式下,把所有從機(jī)設(shè)置成相同的地址(如AM),主機(jī)向所有的從機(jī)發(fā)送一個(gè)同步指令(同步地址AM加上一個(gè)空的數(shù)據(jù)包),從機(jī)(如從機(jī)1號(hào))接收到這個(gè)地址的數(shù)據(jù)包,當(dāng)檢測(cè)地址(AM)匹配了以后,AM引腳產(chǎn)生電平跳變(由低變高),同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)DR(Data Ready)信號(hào),作為單片機(jī)的中斷脈沖,在中斷服務(wù)程序里面記錄某個(gè)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值 T1;發(fā)送第二次同步指令,同樣記錄同一個(gè)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值 T2;連續(xù)同步多次(假定5次),得到 T3,T4,T5.取時(shí)間間隔差ΔT =(ΔT1+ΔT2+ΔT3+ΔT4)/4的平均值,取5次時(shí)間的中間值 T=(T1+T5)/2,做一個(gè)差值 TT=TΔT作為同步點(diǎn),同理,其他各采集卡也會(huì)有一個(gè)同步點(diǎn) TTx,即當(dāng)接到主機(jī)的采集命令后,啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器,當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間達(dá)到 TTx時(shí)立即啟動(dòng)ADC采樣.

3 系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路

在系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)上,無(wú)線模塊采用Nordic半導(dǎo)體公司研發(fā)的核心射頻芯片nRF905,其具有接口簡(jiǎn)單,可直接與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,工作在433/868/915 MHz頻段,增加了多點(diǎn)同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Φ裙δ躘8].同時(shí),其所采用的高抗干擾GFSK調(diào)制,內(nèi)置完整的通信協(xié)議和CRC,使傳輸速率可達(dá)100 kbps,通信距離達(dá)500 m.另外,其工作在低電壓范圍(1.9～3.6 V),電流消耗低,在發(fā)射功率為10 dBm時(shí),發(fā)射電流為11 mA,接收電流為12.5 mA,待機(jī)功耗2μA,有利于省電,延長(zhǎng)工作時(shí)間.

在電路上,nRF905與MCU采用SPI總線接口連接,邏輯控制上采用MCU口線方式[7],其接口電路如圖3所示.

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)上,無(wú)線模塊軟件采用了ATmega32L內(nèi)部集成的SPI控制器,設(shè)置其數(shù)據(jù)傳輸速率為MCU時(shí)鐘的1/64,即128 kHz.采用AVR Studio IDE,C51語(yǔ)言編寫了nRF905發(fā)送、接收兩個(gè)功能函數(shù).

圖3 硬件接口電路圖

由于nRF905采用VLSI Shock-Burst技術(shù),在RX模式中,地址匹配AM和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR信號(hào)通知MCU一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成.在TX模式中,nRF905自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼,DR信號(hào)通知MCU數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成.這兩種模式為節(jié)省指令時(shí)間、提高時(shí)間同步精度起到?jīng)Q定性作用.

3.2.1 Shock-Burst RX模式工作過程.

圖4為接收模式流程圖.在數(shù)據(jù)的無(wú)線接收中,通過采用外部中斷觸發(fā)機(jī)制(INT0),減小了MCU運(yùn)行開銷.

圖4 無(wú)線接收流程圖

3.2.2 Shock-Burst TX模式工作過程.

圖5 無(wú)線發(fā)送流程圖

4 工程應(yīng)用及結(jié)論

4.1 工程應(yīng)用

我們提出的時(shí)間同步協(xié)議已經(jīng)被成功應(yīng)用到所研制的彈性波測(cè)試儀中.在某工程地質(zhì)調(diào)查課題野外施工中,我們對(duì)該測(cè)試儀傳輸距離和時(shí)間同步誤差進(jìn)行了測(cè)試.測(cè)試結(jié)果為:野外500 m無(wú)誤碼傳輸,實(shí)現(xiàn)了48道(道間距3 m,偏移距50 m)彈性波信號(hào)無(wú)線數(shù)據(jù)采集,時(shí)間同步誤差控制在1μs以內(nèi).但在實(shí)際應(yīng)用中,我們也發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)存在如下問題:隨著施工環(huán)境復(fù)雜度的增加,傳輸距離受到限制且誤碼率有所增加,選用大功率無(wú)線模塊時(shí)會(huì)使整機(jī)功耗增大.此外,采用該技術(shù),通過對(duì)地質(zhì)區(qū)域的實(shí)地測(cè)量,找出了地下52 m處的一個(gè)隱伏斷層,該結(jié)果與高密度電法勘查的結(jié)果比較,位置信息一致,說明了時(shí)間同步精度滿足了數(shù)據(jù)處理與解釋的要求,所提出的無(wú)線時(shí)間同步協(xié)議能較好地滿足實(shí)際工程地質(zhì)勘探要求.

4.2 結(jié) 論

將無(wú)線數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用到工程地質(zhì)勘探上,突破了傳統(tǒng)的有線傳輸方式.本系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單,工作效率大大提高,時(shí)間縮短到有線方式的1/3.所提出的無(wú)線時(shí)間同步協(xié)議,解決了目前工程物探儀器時(shí)間誤差大的問題.

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