無線數據采集時間同步協議研究與工程應用

任際周，王洪輝，庹先國,2，張貴宇

（1.成都理工大學 信 息工程學院，四川 成 都 6 10059；2.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川 成 都 6 10059）

在相關性很強的數據采集系統中，高精度時間同步是許多應用的必需條件。地質勘探中的數據采集技術，面臨著各通道之間的時間同步難題[1]。傳統工程勘探中，一般采用有線方式傳輸采集到的數據，由于導線帶來的時間同步誤差較小，在研制儀器的過程中不必考慮非同步效應。隨著勘探環境的日益復雜，無線通信技術以其可移動性、架設簡單、組網靈活等優點在實際作業中表現出極大優勢[1-2]，但由此就帶來了無線傳輸的同步精度問題，提高時間同步精度成為物探裝備研制的關鍵技術之一[3]。

目前無線技術已經應用到石油勘探中[3]，但工程地質普遍使用的彈性波測試儀還是有線電纜方式，施工需要大量的人力物力[4]。鑒于此，提出采用專用射頻芯片，實現彈性波的無線數據采集，并在微控制器（Micro Controller Unit，MCU）的指揮下配合時間同步協議，提高無線通信的時間同步精度。

1 系統設計

系統包括數據采集與無線通信兩部分，此處重點研究無線通信系統，從提高無線時間同步精度的目標出發，著重對其結構組成、時間同步誤差來源、提高時間同步精度措施、硬件、軟件設計實現等進行論述。其原理框圖如圖1所示[5]。

圖1系統采集、傳輸原理框圖Fig.1Block diagram of system acquisition and transmission

圖1左半部分為無線采集卡，實現檢波器模擬信號的數字量化并進行無線傳輸，無線模塊實現采集卡與主機的通信，包括數據發送和命令接收。

圖1右半部分為主機接收站，MCU通過無線模塊完成對各采集卡的控制并進行數據接收，采用FT245BM芯片實現與PC機的USB2．0實時傳輸[6]，信號處理部分在上位機通過VC++軟件編程實現。

根據施工環境的不同，選用個數不等的無線采集卡，配合主機完成勘探任務。整個系統采用無線模塊nRF905[8]實現數據的無線傳輸，打破傳統工程勘探有線傳輸的單一局面，為施工帶來極大便利。

2 無線時間同步協議

2.1 時間同步誤差分析

彈性波數據采集系統動作過程為：主機向各采集卡（從機）發送命令，各采集卡接收到命令之后進行指令解析，判斷出是采集命令后啟動采集程序，并記錄當前采集時間，當接收到主機的數據回傳命令時，對應采集卡將采集的數據打包、壓縮，加上報頭（自身ID號）一并發送，結構圖如圖2所示。

圖2系統工作結構圖Fig．2Structure diagram of system

在這個動作過程中，可以發現產生時間不同步的有2個地方：一是各采集卡接收主機指令時間不一致，二是各采集卡解析指令（采集和回傳數據指令）時間不一致，導致采集卡采集到的信息并不是一個時刻點的。造成第一個時延差的因素較多，如主機到各從機的物理距離不一致（這個條件在近距離無線傳輸中可以忽略）、選用的無線模塊通過不斷切換頻點來與各模塊通信（切換產生主要時延差）等。造成第二個時延差的主要環節在于無線模塊本身解析指令存在時延差，一般在μs級，要想提高無線時間同步精度到μs級，就必需盡可能降低時延差。

時間同步誤差帶來的后果是各通道回傳的數據并不是同一時刻的彈性波信息，各通道數據之間存在一定的時延差，達幾十μs，給后續數據處理和解釋帶來較大誤差，甚至導致錯誤的結論。

2.2 提高時間同步精度措施

要解決時間同步問題，理論上要做到兩點：保證各采集模塊接收到主機指令的時間差為零；保證各無線模塊對主機指令的解析耗時一致。實際設計時，只能盡量減小時間差，提高時間同步精度。

針對第1個時延差（即采集卡接收主機指令時間不一致），系統選用的nRF905模塊具有獨特的地址匹配監測AM（Address Match，地址匹配）功能[7]，當接收到與自身地址號（也就是彈性波采集通道號）相同的信息時，產生一個硬件中斷信號，通知MCU進行處理，響應時間極短（提高單片機時鐘頻率后可忽略不計）。另外，主機向各從機發送指令時，不必切換頻點，只需更換報頭（AM1、AM2．．．），節省大量指令時間，達到控制時延差的目的。

針對第2個時延差（無線模塊本身解析指令時延差），系統設計了時間同步模式預調整進程。即每次采集之前啟動時間同步模式進程，進行時間同步模式調整。具體做法為：在時間同步模式下，把所有從機設置成相同的地址（如AM），主機向所有的從機發送一個同步指令（同步地址AM加上一個空的數據包），從機（如從機1號）接收到這個地址的數據包，當檢測地址（AM）匹配了以后，AM引腳產生電平跳變（由低變高），同時產生一個DR（Data Ready，數據準備好）信號，作為單片機的中斷脈沖源，在中斷服務程序里面記錄某個計數器的當前值T1；發送第二次同步指令，同樣記錄同一個計數器的當前值T2；連續同步多次（假定5次），得到T3，T4，T5。取時間間隔差ΔTn（Tn+1－Tn）的平均值ΔT=（ΔT1+ΔT2+ΔT3+ΔT4）/4，取5次時間的中間值T=（T1+T5）/2，做一個差值TT=T－ΔT作為同步點。同理，其他各采集卡也會有一個同步點TTx，當接到主機的采集命令后，啟動內部計數器，當計數時間達到TTx時立即啟動ADC采樣，實現同步。

3 系統硬件、軟件設計

3.1 硬件電路

無線模塊采用Nordic半導體公司的核心射頻芯片nRF905，采用SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍設備接口）與單片機接口，工作在433/868/915 MHz頻段，增加了多點同時數據傳輸的能力[7]。所采用的高抗干擾GFSK調制，內置完整的通信協議和CRC，傳輸速率可達100 kb/s，湖面通信距離500 m。另外，工作在低電壓范圍（1．9～3．6 V），電流消耗低，在發射功率為10 dBm時，發射電流為11 mA，接收電流為12．5 mA，待機功耗2 μA有利于省電，延長工作時間，目前已得到廣泛應用[4－7]。

硬件上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]，如圖3所示。

3.2 軟件設計

軟件上采用了ATmega32L單片機內部集成的SPI控制器，設置其數據傳輸速率為MCU時鐘的1/64，即8*1/64 MHz＝128 kHz。采用AVR Studio IDE、C51語言編寫了nRF905發送、接收兩個功能函數。

nRF905采用VLSI Shock－Burst技術，在RX模式中，地址匹配AM和數據準備就緒DR信號通知MCU一個有效的地址和數據包已經各自接收完成。在TX模式中，nRF905自動產生前導碼和CRC校驗碼，DR信號通知MCU數據傳輸已經完成。這兩種模式為節省指令時間、提高時間同步精度起到決定性作用。

1）Shock－Burst RX模式工作過程

圖3硬件接口電路圖Fig.3Circuit of hardware interface

通過設置TRX_CE高電平、TX_EN低電平來選擇RX模式。過程為：650 μs以后，nRF905監測空中的信息；當nRF905發現和接收頻率相同的載波時，CD被置高電平；當nRF905接收到有效的地址時，AM被置高電平；當nRF905接收到有效的數據包（CRC校驗正確）時，nRF905去掉前導碼地址和CRC位，DR被置高電平。

圖4為接收模式流程圖。采用了外部中斷觸發機制（INT0），減小了MCU運行開銷。

圖4無線接收流程圖Fig.4Flow chart of wireless receive

//外部中斷0中斷服務程序

ISR（INT0_vect）

{DR_FLAG=1；//置標志位}//GET_MODEL：接收模式

set_nRF_status（RX）;//設置nRF為接收模式

if（DR_FLAG==1）//判斷中斷標志位

{DR_FLAG=0;//標志位清0

set_nRF_status（STANDBY）;//穩定模式

addr＝get_rx_address（）;//接收地址

data=get_rx_payload（）;//接收數據

set_nRF_status（RX）;//連續接收}

2）Shock-Burst TX模式工作過程

MCU設置TRX_CE、TX_EN為高電平來激活一次傳輸。過程為：無線系統自動上電；數據包完成添加前導碼和CRC校驗碼；數據包發送100 kb/s GFSK曼徹斯特編碼。如果AUTO_RETRAN被設置為高電平，nRF905將連續地發送數據包直到TRX_CE被設置為低電平。當發送結束后，新的模式被激活，圖5為無線發送模式流程圖。

圖5無線發送流程圖Fig.5Flow chart of wireless translation

//SEND_MODEL：發送模式

set_tx_address（channel_id）;//設置發送地址

set_tx_payload（channel_data）;//設置發送數據

set_nRF_status（TX）;//設置nRF為發送模式

4 結 論

提出的時間同步協議已經被成功應用到所研制的彈性波測試儀中。同時，在某地質調查課題野外施工的基礎上，對傳輸距離和時間同步誤差進行了測試。測試結果表明野外500 m無誤碼傳輸，實現48道（道間距3 m，偏移距50 m）彈性波無線數據采集；時間同步誤差控制在2 μs以內。存在的問題：隨著施工環境復雜度的增加，傳輸距離受到限制且誤碼率有所增加，選用大功率無線模塊時會使整機功耗增大。

總體來說，所提出的無線時間同步協議能較好地滿足實際要求。工作效率大大提高，時間縮短到有線方式的1/3，該技術具有較好的應用前景。

[1]羅維炳.新一代無線局域網技術在地震數據采集系統中的應用[J].石油儀器，2004，18（1）:9-12，15.LUO Wei-bing.Application of new generation wireless local area network technology to the telemetry seismic data acquisition system[J].Petroleum Instruments，2004，18（1）:9-12，15.

[2]王瑩，張大波.嵌入式無線智能家庭網絡的遠程控制[J].微計算機信息，2008（23）:48-50.WANG Ying，ZHANG Da-bo.Remote control of embedded wireless smart home network[J].Microcomputer Information,2008（23）:48-50.

[3]王建國，呂艷宗，王樹杰，等.高精度無線同步技術及其在石油勘探中的應用[J].傳感器技術，2005，24（8）:74-76.WANG Jian-guo，LV Yan-zong，WANG Shu-jie，et al.Precise synchronization in wireless communication and its applicationinpetroleumreconnaissancetechnology[J].Journal of Transducer Technology，2005，24（8）:74-76.

[4]重慶地質儀器廠.DZQ48/24/12A高分辨地震儀（淺震儀）[EB/OL].（2008）.http://www.cgif.com.cn.

[5]王洪輝，庹先國，穆克亮，等.基于FPGA+MCU的全數字式滑移脈沖信號發生器的研制[J].核技術,2007，30（10）：868-871.WANG Hong-hui，TUO Xian-guo，MU Ke-liang，et al.Development of digital slip pulse generator based on FPGA&MCU[J].Nuclear Techniques，2007，30（10）:868-871.

[6]岳桂軍，葉湘濱，虞武華.基于USB2.0的多功能測試系統設計[J].微計算機信息，2008，24（28）:21-25.YUE Gui-jun，YE Xiang-bin，YU Wu-hua.Design of multifunctional testing system based on USB 2.0[J].Control&Automation，2008，24（28）:21-25.

[7]Nordic公司單片無線收發器nRF905用戶數據手冊[M].挪威：Nordic半導體公司，2004.