一種船舶精確時間同步數據采集監測方法

Method of Ship Data Acquisition and Monitoring

Based on Precise Time Synchronization

王彥東　王黎明　邵　英　左　文

(海軍工程大學電氣工程學院，湖北 武漢　430033)

一種船舶精確時間同步數據采集監測方法

Method of Ship Data Acquisition and Monitoring

Based on Precise Time Synchronization

王彥東王黎明邵英左文

(海軍工程大學電氣工程學院，湖北 武漢430033)

摘要：為了提高船舶數據采集的準確性和監測的實時性，減小由于數據采集時間不同步帶來的誤差，提出了一種精確時間同步下船舶數據采集監測的方法。該方法利用基于IEEE 1588的精確同步秒脈沖信號觸發數據采集，將蓋有“時間戳”的數據放入緩沖區，保證數據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序的邏輯操作，由上層處理中心經由以太網進行數據傳輸，完成精確的數據采集、實時監測。仿真和測試結果表明，該方法能夠完成精確時間同步數據采集監測，滿足電力系統各方面測試精度的要求，對進一步提高船舶數據的精確可用性具有重大意義。

國家自然科學基金資助項目(編號：61101206)。

修改稿收到日期：2014-03-24。

第一作者王彥東(1990-)，男，現為海軍工程大學檢測技術與自動化裝置專業在讀碩士研究生；主要從事檢測技術與時鐘同步技術的研究。

關鍵詞：船舶數據采集IEEE 1588時間戳電力系統實時監測時序

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

船舶電力系統屬于完全獨立又完整的小型電力系統，上層監測和控制功能的實現完全依賴于底層數據的采集，精確與否完全由數據準確性決定。各分節點之間的協調工作、統一動作必須在高精度時間同步基礎上進行[1]。現有數據采集監測方法的同步精度為毫秒級，很難在數據準確性與操作實時性上完全滿足電力系統最高1 μs級精度的要求[2]。

本文所提方法采集得到的高速數據經由數據緩存器完整上傳[3]，為進一步精確分析電壓、電流、功角穩定性、諧波等數據提供支持。本文主機部分基于嵌入式和可編程邏輯陣列(field programmable gate array，FPGA)[4]加以設計，充分保證了數據傳輸的高速性和完整性。

1時間同步模塊

1.1　P50單元

船舶的高效能建立在高精度時間同步的基礎之上，本文的時間同步模塊主要通過與北京建普奇正公司合作開發的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精確時間同步算法的M50模塊。P50模塊可以作為從時鐘接收主時鐘的網絡同步報文，完成主從同步;也可接收由全球定位系統(global positioning system，GPS)模塊發送的實時時間常數(time of date，ToD)信號和秒脈沖信號(pulse per second)，作為主時鐘向下一級從時鐘發送同步報文[6]。經過長時間的測試，完成了P50的多組長時間數據統計，并分析了主從同步精度及穩定性。從時鐘與主時鐘的偏差統計如圖2所示。

圖2　偏差分布直方圖

由統計數據可以得出，從時鐘偏差基本分布在100 ns以內，足以滿足電力系統最高1 μs的精度要求。

1.2　整體方案

系統方案構成框圖如圖3所示。

圖3　系統方案構成框圖

系統整體方案的設計依賴于P50模塊為主機提供秒脈沖信號和時間戳標記信號。

系統首先由GPS天線、解析模塊和P50組成主時鐘，通過以太網完成對全網的精確授時。這樣各P50所在的從節點相對于主時鐘的精度不會大于200 ns，保證了精確的時間同步[7]。各分節點由P50提供秒脈沖信號和時間標簽。

2終端主機模塊

終端主機模塊是整個方案功能實現的重點部分，主要由ARM和FPGA完成相關功能的實現。

2.1　ARM控制器

ARM微控制器主要根據控制計算機的指令，將FPGA作為I/O擴展，與本地地址關聯，完成數據讀寫、信號控制、數據傳輸、LED顯示等功能。ARM接口設計如圖4所示。

圖4　ARM接口設計圖

ARM通過SPI總線完成同FPGA的數據通信和控制，通過I2C總線完成開關量的輸入、輸出控制，同時擴展顯示、存儲、設置、網絡通信等接口[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

終端模塊應能完成對模擬量和狀態量的實時采集、信號的調理與隔離、重要信息顯示和數據傳輸等功能。利用FPGA大量可擴展的I/O口和高速數據處理能力，完成電壓、電流信號的數據采集及預處理。FPGA的秒脈沖觸發信號由時間同步模塊提供，時鐘信號由時間同步模塊的10 MHz信號提供，由此可以保證多節點之間時間一致性和多點操作的同時性[9]。數據在進入FIFO之前完成對該組數據加入時間標記工作，再經過濾波器對噪聲干擾信號處理后，通過I2C總線完成數據傳輸。

綜合考慮功耗、速率等因素，前端數據采集、處理部分芯片采用EP1C1Q240C8和 AD7656進行主體設計。其中，EP1C1Q240C8功耗較低，具有充足的高速I/O口可供使用。FPGA作為數據采集核心單元，通過控制16路模擬開關的選通，控制AD7656進行模數轉換[10]。

3軟件設計

3.1　A/D單元

數據采集部分采用AD7656進行相關時序設計，FPGA通過控制CONVST信號啟動轉換，從而可以控制3路ADC進行6個通道的同步采樣。AD7656啟動轉換信號后會自動輸出BUSY信號，BUSY信號下降沿時，轉換完成，數據保存于內部寄存器中；然后控制CS和RD信號完成轉換值的讀取。

3.2　FIFO單元

FPGA控制轉換后的數據緩存于FIFO模塊，并迅速由MCU讀取。

FIFO模塊設計圖如圖6所示。

圖6　FIFO設計圖

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。 FIFO空時外界只可寫不可讀，滿時只可讀不可寫，半滿時可讀也可寫。 由此可以通過控制數據經過FIFO的緩存實現實時上傳[11]。

3.3　流程設計

系統主要靠ARM和FPGA控制多個外圍部件完成I/O口控制，并通過對電壓、電流輸入信號的處理，完成數據采集及模數轉換。處理后的信息反映給控制計算機，控制計算機根據采集的數據及與各種已設定好的標準進行比較，將控制信息進行反饋、輸出，完成整體信息的交互。

系統軟件設計主要依靠Quartus II和IAR EWARM軟件進行設計。系統流程圖如圖7所示。

圖7　系統流程圖

系統的關鍵之處在于對時鐘同步模塊秒脈沖信號的應用，以充分保證各個節點數據采集、轉換的精確同步性。完成數據轉換、加上時間標簽之后，數據存儲和實時處理等有效性都有很大提升。這樣的處理方式對CPU的實時處理速度的要求也降低了很多[12]。

4系統試驗驗證

系統采用河南興創科技公司的STR-3030DN電能質量分析儀檢定裝置作為標準信號進行信號發生和檢定。該裝置根據國家電力行業相關標準及國家電網公司對電能質量的技術要求研制而成。采用該裝置輸出三相電壓，節點1和節點2針對B相電壓進行測試，兩個節點都采用精確時鐘同步模塊的觸發信號[13]。部分相關測試結果如表1所示。

表1中顯示了相對于同一輸出信號，節點1和節點2的測試情況。由表1可以看出，在精確時鐘同步作用下，兩節點取得了精確同步結果，只存在細微偏差，極好地滿足了相關規定測試要求。

表1　兩節點相對標準源測試結果

5結束語

本文針對以往船舶數據采集監測方法時間同步精度不高的缺點，采用IEEE 1588精確時間同步方法的特點展開新的數據采集方法研究。利用FPGA和ARM的綜合優勢展開相關測試方案設計，并將標準源與測試結果對比，完成了方法驗證，最后證明了采用該方法進行數據采集的準確性。該方法對下一步針對電力參數的多種測量機研究起到了很好的鋪墊作用，具有很大的工程研究價值。

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中圖分類號：TP29

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501003