一種船舶精確時(shí)間同步數(shù)據(jù)采集監(jiān)測方法

Method of Ship Data Acquisition and Monitoring

Based on Precise Time Synchronization

王彥東　王黎明　邵　英　左　文

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢　430033)

一種船舶精確時(shí)間同步數(shù)據(jù)采集監(jiān)測方法

Method of Ship Data Acquisition and Monitoring

Based on Precise Time Synchronization

王彥東王黎明邵英左文

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢430033)

摘要：為了提高船舶數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和監(jiān)測的實(shí)時(shí)性，減小由于數(shù)據(jù)采集時(shí)間不同步帶來的誤差，提出了一種精確時(shí)間同步下船舶數(shù)據(jù)采集監(jiān)測的方法。該方法利用基于IEEE 1588的精確同步秒脈沖信號觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，將蓋有“時(shí)間戳”的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，保證數(shù)據(jù)完整上傳至處理中心；利用FPGA完成秒脈沖信號的控制和信號的采集與處理等時(shí)序的邏輯操作，由上層處理中心經(jīng)由以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成精確的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測。仿真和測試結(jié)果表明，該方法能夠完成精確時(shí)間同步數(shù)據(jù)采集監(jiān)測，滿足電力系統(tǒng)各方面測試精度的要求，對進(jìn)一步提高船舶數(shù)據(jù)的精確可用性具有重大意義。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號：61101206)。

修改稿收到日期：2014-03-24。

第一作者王彥東(1990-)，男，現(xiàn)為海軍工程大學(xué)檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事檢測技術(shù)與時(shí)鐘同步技術(shù)的研究。

關(guān)鍵詞：船舶數(shù)據(jù)采集IEEE 1588時(shí)間戳電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測時(shí)序

Abstract：For improving the accuracy and real time monitoring performance of ship data acquisition and reducing the error caused by the asynchronous data acquisition, the ship data acquisition monitoring method under precise time synchronous is proposed. With this method, the data acquisition is triggered by precise synchronous second pulse signal based on IEEE 1588, the data with time stamps are put into buffer area, to ensure data to be uploaded into processing center without data loss. The logical operation of time sequence for controlling second pulse signals and data acquisition and processing is obtained using FPGA, via Ethernet, data are transmitted, and precise data acquisition and real time monitoring are completed in upper layer processing center.The results of simulation and test show that the method realizes precise time synchronous data acquisition and monitoring, meets the requirement of electric power system, it possesses important significance for further improve precision and utilization of ship data.

Keywords：Ship data acquisitionIEEE 1588Time stampElectric power systemReal-time monitoringTime sequence

0引言

船舶電力系統(tǒng)屬于完全獨(dú)立又完整的小型電力系統(tǒng)，上層監(jiān)測和控制功能的實(shí)現(xiàn)完全依賴于底層數(shù)據(jù)的采集，精確與否完全由數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性決定。各分節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)工作、統(tǒng)一動(dòng)作必須在高精度時(shí)間同步基礎(chǔ)上進(jìn)行[1]。現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集監(jiān)測方法的同步精度為毫秒級，很難在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與操作實(shí)時(shí)性上完全滿足電力系統(tǒng)最高1 μs級精度的要求[2]。

本文所提方法采集得到的高速數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)緩存器完整上傳[3]，為進(jìn)一步精確分析電壓、電流、功角穩(wěn)定性、諧波等數(shù)據(jù)提供支持。本文主機(jī)部分基于嵌入式和可編程邏輯陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)[4]加以設(shè)計(jì)，充分保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩院屯暾浴?/p>

1時(shí)間同步模塊

1.1　P50單元

船舶的高效能建立在高精度時(shí)間同步的基礎(chǔ)之上，本文的時(shí)間同步模塊主要通過與北京建普奇正公司合作開發(fā)的P50模塊完成[5]。P50模塊框圖如圖1所示。

圖1　P50模塊框圖

P50模塊的核心是集成了IEEE 1588精確時(shí)間同步算法的M50模塊。P50模塊可以作為從時(shí)鐘接收主時(shí)鐘的網(wǎng)絡(luò)同步報(bào)文，完成主從同步;也可接收由全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)模塊發(fā)送的實(shí)時(shí)時(shí)間常數(shù)(time of date，ToD)信號和秒脈沖信號(pulse per second)，作為主時(shí)鐘向下一級從時(shí)鐘發(fā)送同步報(bào)文[6]。經(jīng)過長時(shí)間的測試，完成了P50的多組長時(shí)間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并分析了主從同步精度及穩(wěn)定性。從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的偏差統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

圖2　偏差分布直方圖

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出，從時(shí)鐘偏差基本分布在100 ns以內(nèi)，足以滿足電力系統(tǒng)最高1 μs的精度要求。

1.2　整體方案

系統(tǒng)方案構(gòu)成框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)方案構(gòu)成框圖

系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)依賴于P50模塊為主機(jī)提供秒脈沖信號和時(shí)間戳標(biāo)記信號。

系統(tǒng)首先由GPS天線、解析模塊和P50組成主時(shí)鐘，通過以太網(wǎng)完成對全網(wǎng)的精確授時(shí)。這樣各P50所在的從節(jié)點(diǎn)相對于主時(shí)鐘的精度不會(huì)大于200 ns，保證了精確的時(shí)間同步[7]。各分節(jié)點(diǎn)由P50提供秒脈沖信號和時(shí)間標(biāo)簽。

2終端主機(jī)模塊

終端主機(jī)模塊是整個(gè)方案功能實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)部分，主要由ARM和FPGA完成相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)。

2.1　ARM控制器

ARM微控制器主要根據(jù)控制計(jì)算機(jī)的指令，將FPGA作為I/O擴(kuò)展，與本地地址關(guān)聯(lián)，完成數(shù)據(jù)讀寫、信號控制、數(shù)據(jù)傳輸、LED顯示等功能。ARM接口設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4　ARM接口設(shè)計(jì)圖

ARM通過SPI總線完成同F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)通信和控制，通過I2C總線完成開關(guān)量的輸入、輸出控制，同時(shí)擴(kuò)展顯示、存儲、設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)通信等接口[8]。

2.2　終端信息通信過程

終端整體組成框圖如圖5所示。

圖5　終端整體組成框圖

終端模塊應(yīng)能完成對模擬量和狀態(tài)量的實(shí)時(shí)采集、信號的調(diào)理與隔離、重要信息顯示和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋＠肍PGA大量可擴(kuò)展的I/O口和高速數(shù)據(jù)處理能力，完成電壓、電流信號的數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。FPGA的秒脈沖觸發(fā)信號由時(shí)間同步模塊提供，時(shí)鐘信號由時(shí)間同步模塊的10 MHz信號提供，由此可以保證多節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間一致性和多點(diǎn)操作的同時(shí)性[9]。數(shù)據(jù)在進(jìn)入FIFO之前完成對該組數(shù)據(jù)加入時(shí)間標(biāo)記工作，再經(jīng)過濾波器對噪聲干擾信號處理后，通過I2C總線完成數(shù)據(jù)傳輸。

綜合考慮功耗、速率等因素，前端數(shù)據(jù)采集、處理部分芯片采用EP1C1Q240C8和 AD7656進(jìn)行主體設(shè)計(jì)。其中，EP1C1Q240C8功耗較低，具有充足的高速I/O口可供使用。FPGA作為數(shù)據(jù)采集核心單元，通過控制16路模擬開關(guān)的選通，控制AD7656進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[10]。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1　A/D單元

數(shù)據(jù)采集部分采用AD7656進(jìn)行相關(guān)時(shí)序設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA通過控制CONVST信號啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，從而可以控制3路ADC進(jìn)行6個(gè)通道的同步采樣。AD7656啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號后會(huì)自動(dòng)輸出BUSY信號，BUSY信號下降沿時(shí)，轉(zhuǎn)換完成，數(shù)據(jù)保存于內(nèi)部寄存器中；然后控制CS和RD信號完成轉(zhuǎn)換值的讀取。

3.2　FIFO單元

FPGA控制轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)緩存于FIFO模塊，并迅速由MCU讀取。

FIFO模塊設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

圖6　FIFO設(shè)計(jì)圖

通過對Fifo_empty、Fifo_full、Fifo_half等輸出信號的獲取，可通知外圍部件FIFO的工作狀態(tài)。 FIFO空時(shí)外界只可寫不可讀，滿時(shí)只可讀不可寫，半滿時(shí)可讀也可寫。 由此可以通過控制數(shù)據(jù)經(jīng)過FIFO的緩存實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上傳[11]。

3.3　流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要靠ARM和FPGA控制多個(gè)外圍部件完成I/O口控制，并通過對電壓、電流輸入信號的處理，完成數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換。處理后的信息反映給控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)及與各種已設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，將控制信息進(jìn)行反饋、輸出，完成整體信息的交互。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要依靠Quartus II和IAR EWARM軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)的關(guān)鍵之處在于對時(shí)鐘同步模塊秒脈沖信號的應(yīng)用，以充分保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換的精確同步性。完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、加上時(shí)間標(biāo)簽之后，數(shù)據(jù)存儲和實(shí)時(shí)處理等有效性都有很大提升。這樣的處理方式對CPU的實(shí)時(shí)處理速度的要求也降低了很多[12]。

4系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)采用河南興創(chuàng)科技公司的STR-3030DN電能質(zhì)量分析儀檢定裝置作為標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行信號發(fā)生和檢定。該裝置根據(jù)國家電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及國家電網(wǎng)公司對電能質(zhì)量的技術(shù)要求研制而成。采用該裝置輸出三相電壓，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2針對B相電壓進(jìn)行測試，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都采用精確時(shí)鐘同步模塊的觸發(fā)信號[13]。部分相關(guān)測試結(jié)果如表1所示。

表1中顯示了相對于同一輸出信號，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的測試情況。由表1可以看出，在精確時(shí)鐘同步作用下，兩節(jié)點(diǎn)取得了精確同步結(jié)果，只存在細(xì)微偏差，極好地滿足了相關(guān)規(guī)定測試要求。

表1　兩節(jié)點(diǎn)相對標(biāo)準(zhǔn)源測試結(jié)果

5結(jié)束語

本文針對以往船舶數(shù)據(jù)采集監(jiān)測方法時(shí)間同步精度不高的缺點(diǎn)，采用IEEE 1588精確時(shí)間同步方法的特點(diǎn)展開新的數(shù)據(jù)采集方法研究。利用FPGA和ARM的綜合優(yōu)勢展開相關(guān)測試方案設(shè)計(jì)，并將標(biāo)準(zhǔn)源與測試結(jié)果對比，完成了方法驗(yàn)證，最后證明了采用該方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。該方法對下一步針對電力參數(shù)的多種測量機(jī)研究起到了很好的鋪墊作用，具有很大的工程研究價(jià)值。

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中圖分類號：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501003