基于GPS的異地數(shù)據(jù)采集的改進(jìn)同步方法及其實(shí)現(xiàn)

工程中經(jīng)常需要實(shí)現(xiàn)異地數(shù)據(jù)的同步采集?，F(xiàn)有的該類系統(tǒng)大多采用對采集的數(shù)據(jù)打“時間戳”的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的同步性。大量的“數(shù)據(jù)戳”隨數(shù)據(jù)一起存入RAM，占用了RAM的存儲空間，增加了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。針對上述問題，本文提出了一種電平觸發(fā)的同步方法，其要點(diǎn)是利用GPS授時檢測預(yù)置的采集開始時刻的到來，并在該時刻下一個秒脈沖的上升沿產(chǎn)生高電平的觸發(fā)信號，一組異地分布的數(shù)據(jù)采集裝置因而可以同步工作。按照上述方法設(shè)計了具體系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明可以達(dá)到1 ?滋s的同步精度[1]。
1 同步原理與實(shí)現(xiàn)方案
??? GPS接收機(jī)輸出的NEMA信息通過串口1送入解碼模塊，并提取GPS狀態(tài)信息和時間信息分別輸出到與門和數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊處理輸入的時間信息，并每隔1 s與串口2輸入的預(yù)設(shè)時刻信息比較，若兩者完全相同，則在秒脈沖的下一個上升沿時刻產(chǎn)生同步信號。當(dāng)GPS狀態(tài)信息與同步信號電平都為高時，產(chǎn)生觸發(fā)信號觸發(fā)一組異地分布的數(shù)據(jù)采集裝置同步開始工作。
??? 對于一組異地分布需要同步采集的數(shù)據(jù)采集裝置，每個裝置都增加1個(FPGA)同步裝置，預(yù)置相同的采集開始時刻。同步裝置根據(jù)GPS授時信息不斷檢測該時刻的到來，并在該時刻的下一個秒脈沖上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)采集動作，使得異地分布的數(shù)據(jù)采集裝置同步開始工作。
??? 單個同步裝置的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 設(shè)備簡介
2.1.1 GPS接收機(jī)性能簡介
??? 本系統(tǒng)采用Navysyc CW25接收機(jī)，此接收機(jī)是一款專門的授時型接收機(jī)。該接收機(jī)具有12個并行通道，可同時跟蹤12顆衛(wèi)星，完全校準(zhǔn)到UTC時間，產(chǎn)生精確度高達(dá)幾十納秒的同步授時，并且支持RS-232串口通信，通信速率38 400 b/s。
2.1.2 GPS秒脈沖輸出特性簡介
??? 秒脈沖PPS(Pulse Per Second)[5-6]，是1個電平信號，以方波形式輸出，周期為1 s，高電平持續(xù)時間為100 μs。高電平上升沿為PPS輸出的精確時刻，其波形如圖2所示。

??? 接收機(jī)取得有效導(dǎo)航的時候，脈沖上升沿時刻與UTC時刻相差在±30 ns以內(nèi)，RS-232傳輸數(shù)據(jù)中UTC時刻的輸出較秒脈沖上升沿有一定的延遲，即接收機(jī)先為用戶提供秒脈沖，再提供對應(yīng)的時間信息，(FPGA)同步控制模塊對此(時間信息的滯后)須進(jìn)行恰當(dāng)處理，以使PPS的上升沿與實(shí)際的時間信息對應(yīng)。
2.2 系統(tǒng)硬件總體實(shí)現(xiàn)
??? 本系統(tǒng)硬件設(shè)計主要是利用FPGA設(shè)計和實(shí)現(xiàn)同步控制功能。由于FPGA與GPS的串口通信采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，所以利用EDK提供的IP核可以直接實(shí)現(xiàn)。
3 FPGA設(shè)計
3.1 頂層設(shè)計
??? 利用FPGA實(shí)現(xiàn)基于GPS的異地數(shù)據(jù)采集同步控制系統(tǒng)的核心處理單元，采用自頂向下的設(shè)計方法，用Verilog HDL語言描述，使用Xilinx Spartan-3A FPGA在ISE 10.1中進(jìn)行仿真、綜合和實(shí)現(xiàn)[2-3]。頂層設(shè)計由解碼模塊、I/O控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。
??? 工作過程為：串口接收到GPS接收機(jī)發(fā)來的NEMA $POLYT語句，I/O控制模塊檢測語句開始和結(jié)束標(biāo)志字符，并檢查語句格式的正確性，將正確的語句存入輸入緩存；解碼模塊提取出NEMA信息中的時間信息和GPS定位信息，時間信息輸入數(shù)據(jù)處理模塊，GPS定位信息作為“與門”輸入；數(shù)據(jù)處理模塊中，將解碼模塊送來的時間信息進(jìn)行處理并鎖存，與預(yù)設(shè)的時間信息比對，當(dāng)兩者完全相同時，在下一個PPS上升沿時刻產(chǎn)生同步信號，此同步信號和GPS定位信息相與生成觸發(fā)信號，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡同步開始工作。
3.2 解碼模塊
??? 解碼模塊的任務(wù)是提取GPS接收機(jī)發(fā)來的NEMA語句中的時間信息。FPGA的串口接收到GPS接收機(jī)發(fā)來的NEMA $POLYT語句，I/O控制模塊檢測語句開始和結(jié)束標(biāo)志字符，并檢查語句格式的正確性，將正確的語句存入輸入緩存，再從緩存中提取出時間信息并鎖存。$POLYT語句格式如下：$POLYT，hhmmss.ss，ddmmyy，UTC_TOW，week，GPS_TOW，Clk_B，Clk_D，PG，cs，每一項以逗號相隔，其中“hhmmss”項為格林威治時間的時、分、秒信息，F(xiàn)PGA控制板通過解讀此報文信息便可得到與1 PPS信號對應(yīng)的時間信息[3]。解碼模塊工作的程序流程圖如圖3所示。

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊
??? 數(shù)據(jù)處理模塊的作用有兩部分：調(diào)整從緩存提取的時間信息和產(chǎn)生同步觸發(fā)信號。
??? 調(diào)整時間信息包括2個方面，(1)GPS接收機(jī)輸出的時間是GMT時間，需要轉(zhuǎn)換成當(dāng)前地理位置所在時區(qū)的時間。(2)由于GPS接收機(jī)的時間信息總是在與之對應(yīng)的秒脈沖上升沿到來后從串口發(fā)出，所以在t時刻的秒脈沖上升沿到來時，t時刻的時間信息還未被數(shù)據(jù)處理單元接收到。為了實(shí)現(xiàn)秒脈沖和時間信息的同步輸出，需要將t-1時刻的時間信息加1 s作為t時刻的絕對時間。圖4所示顯示了調(diào)整前后的時間與秒脈沖的對應(yīng)關(guān)系。

將調(diào)整后的時間信息與預(yù)設(shè)的時間信息進(jìn)行比較，兩者完全相同。在下一個PPS脈沖的上升沿對應(yīng)時刻產(chǎn)生1個電平信號，此信號和GPS狀態(tài)信息“相與”后輸出信號即為數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)信號。仿真結(jié)果如圖5所示。

??? 本文提出了一種改進(jìn)的基于GPS的異地數(shù)據(jù)采集的同步方法，并利用FPGA進(jìn)行了具體設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述方法和設(shè)計克服了常用的“時間戳”方式占用額外存儲空間和加重數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)的缺點(diǎn)，滿足分布式數(shù)據(jù)采集對同步精度的要求，并且有助于實(shí)現(xiàn)同步裝置的小型化、高穩(wěn)定性，便于維護(hù)與升級。