基于LXI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步方法研究

王晶,羅丹

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲，412002）

基于LXI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步方法研究

王晶,羅丹

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲，412002）

對于大型的航空發(fā)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，需要采集的信號眾多。其不僅僅是不同設備信號的簡單疊加，還要求不同設備信號間具有更高精度數(shù)據(jù)同步能力。LXI總線是新一代的儀器總線，其基于開放的工業(yè)網(wǎng)絡標準，具有分布式的架構、高速的數(shù)據(jù)傳輸、高精度的系統(tǒng)同步等優(yōu)勢。某型航空發(fā)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于LXI總線設備進行設計和組建，充分利用了LXI總線的優(yōu)點，有效解決了大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步的問題，提高了系統(tǒng)的精度和測試效率。

同步觸發(fā);時鐘同步;LXI;數(shù)據(jù)采集

0 引言

航空發(fā)動機試驗的測試設備眾多，信號來源廣泛，其信號分別來自各個子系統(tǒng)。目前我所正在自主研制開發(fā)的航空發(fā)動機穩(wěn)態(tài)采集系統(tǒng)基于局域網(wǎng)架構，以LXI總線設備為基礎，同時將VXI總線測試設備、PSI壓力測試設備、和其他子系統(tǒng)設備進行系統(tǒng)集成，在數(shù)據(jù)采集軟件的統(tǒng)一管理下，滿足發(fā)動機試驗狀態(tài)監(jiān)控、性能與安全監(jiān)測、數(shù)據(jù)自動化采集、存儲和分析處理等功能需求。

隨著測試參數(shù)數(shù)據(jù)越來越大，幾百上千甚至幾千通道的大型測試系統(tǒng)趨于平常。大型測試系統(tǒng)并不僅僅是通道的簡單疊加，還要求測試設備間具有更高精度協(xié)同能力，由此而帶來采集數(shù)據(jù)同步等多方面的技術難點。如何使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都能夠保持同步，是大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關鍵技術之一。

1 采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步的關鍵技術

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步包含三個要點：

多個通道數(shù)據(jù)采集的起始時間一致，即同步觸發(fā)。

數(shù)據(jù)間的時間間隔一致，即采樣時鐘同步。

如果不能保證采集過程的同步，則需要在事后數(shù)據(jù)處理時將數(shù)據(jù)對齊。

對于大型的測試系統(tǒng)而言，需要測試的信號更多、關聯(lián)性更強。同步觸發(fā)，即基于異步事件啟動儀器動作(如測量等) 的功能。時鐘同步,即基于一個共同的時間標準對多個動作(如測量序列、信號激勵序列等)進行操作的功能。同步觸發(fā)和時鐘同步是系統(tǒng)實現(xiàn)復雜測試的必要條件，分別實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中兩個不同層次的同步功能，是保證采集數(shù)據(jù)同時間關聯(lián)性和結果有效性的基礎。通過同步觸發(fā)和時鐘同步，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內的各設備經(jīng)過同一時間基準的對時，能夠按照時間序列依次完成觸發(fā)動作，實現(xiàn)設備功能。

在構建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)時，由于各種測試設備接口形式的不同、同步觸發(fā)機制不同、內部時鐘同步精度不同。因此儀器間的觸發(fā)和時鐘同步的方法設計，以及整個系統(tǒng)所能達到的總體精度，都必須綜合考慮各種設備的自身特點。

2 LXI總線設備的同步特點

2.1 LXI儀器的同步特點

對于VXI設備來說，其同步測試方法是通過VXI儀器的背板總線觸發(fā)實現(xiàn)同步測試。但這種方法僅對同一機箱內的模塊之間有效，對于不同機箱之間就難以實現(xiàn)同步，因此在工程實踐中的局限性很大。而LXI設備引入了精密時間同步協(xié)議( PTP)，同步機制基于以太網(wǎng)和IEEE1588，其提供了靈活的觸發(fā)方式并具有很高的觸發(fā)精度。利用LXI 的同步觸發(fā)和時鐘同步功能，系統(tǒng)集成者能夠控制模塊和系統(tǒng)內的狀態(tài)序列,控制本地或系統(tǒng)事件發(fā)生和處理的時間,并基于時標對測量數(shù)據(jù)或重要事件進行排序或關聯(lián)。

2.2 LXI儀器的同步觸發(fā)機制

要保證數(shù)據(jù)的同步，首先要保證由同一個外部觸發(fā)信號來觸發(fā)所有設備進行采集，即保證一個子系統(tǒng)中所有設備都是同一個時刻開始采集的。LXI儀器提供的同步觸發(fā)機制包括三種：基于LAN的同步觸發(fā)、IEEE 1588時鐘同步觸發(fā)和觸發(fā)總線三種機制。

⑴基于LAN的同步觸發(fā)實際上是通過網(wǎng)絡傳送含有觸發(fā)信息的消息包。被觸發(fā)設備通過對消息包解析，來判斷是否進行觸發(fā)。被觸發(fā)的設備在接到這個信號后，進行預先定義好的動作。除此之外，基于LAN的觸發(fā)還能傳送用于系統(tǒng)同步時鐘的時間戳信息，該觸發(fā)方式的同步精度可達到1ms。

⑵IEEE 1588時鐘同步觸發(fā)是通過運行時鐘同步協(xié)議（PTP），決定出最佳主時鐘，所有儀器的時鐘與作為主時鐘的儀器的時間保持一致。在時間保持一致的基礎上，各儀器按照時間序列依次觸發(fā)，完成整個系統(tǒng)的測試功能。該觸發(fā)方式的同步精度能夠達到微秒級。

⑶A類LXI設備特有的硬件觸發(fā)總線機制（Trigger Bus）。A類LXI 儀器的觸發(fā)總線采用M2LVDS (多點低壓差分信號裝置)線纜，通過一個含有8個可獨立分配通道的25針連接器連接相距很近的多臺設備，其作用類似于VXI/ PXI 的背板觸發(fā)。該觸發(fā)總線能以標準的方式提供觸發(fā)信號，信號在設備間具有非常低的響應時間，其同步精度可達5ns／m。

以上三種同步觸發(fā)機制的同步精度是依次遞增的?；贚AN的同步機制由于受到網(wǎng)絡傳輸延時的影響同步誤差達到毫秒極，IEEE1588網(wǎng)絡時鐘同步精度小于100ns／m，而觸發(fā)總線的同步精度是5ns／m。此外，LXI 采用統(tǒng)一的觸發(fā)模型，設備可將硬件觸發(fā)信號和LAN 觸發(fā)事件同樣對待，簡化了編程和系統(tǒng)集成的工作量。

2.3 LXI總線的時鐘同步機制

時鐘同步是保證數(shù)據(jù)同步的另一個基礎功能。在保證各個設備被同一觸發(fā)信號同時觸發(fā)的基礎之上，數(shù)據(jù)同步另一個要求就是保證每個子系統(tǒng)內數(shù)據(jù)的同步。LXI總線定義了兩種同步方式，B類產品滿足IEEE1588標準，通過PTP時鐘同步實現(xiàn)全系統(tǒng)μs級別同步，同時可對數(shù)據(jù)打上時間戳。而A類產品除了滿足PTP時鐘同步協(xié)議外，還定義了快速硬件觸發(fā)總線LXI Trigger Bus，通過LXI硬件觸發(fā)線的連接可實現(xiàn)全系統(tǒng)ns級別的同步精度。

LXI系統(tǒng)的同步機制有以下使用特點。

⑴對于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集，只需要將LXI設備配置在同一個局域網(wǎng)內，PTP精密時鐘協(xié)議會自動運行同步時鐘。

⑵如果采樣率較高，或對同步的精度要求更高，可用LXI Trigger Bus將系統(tǒng)內的LXI設備連起來。其聯(lián)接的形式有兩種，一種是菊花鏈形式，即在兩個端點連上觸發(fā)終端；另一種是星型連接。每個鏈內最多不超過20臺設備，并且每個鏈最長不能超過20m。如果還需要觸發(fā)更多的設備，可通過LXI觸發(fā)擴展器EX2108來擴展。

2.4 采集后數(shù)據(jù)對齊

測量精度取決于測試系統(tǒng)中每一臺設備的精確同步，各個系統(tǒng)具有高度的獨立性，互不干擾，如果不能保證所有設備采集的同步觸發(fā)和在采集過程的時鐘同步，則需要在事后數(shù)據(jù)處理時將數(shù)據(jù)對齊，在分析數(shù)據(jù)時要做到多套數(shù)據(jù)的對齊分析。由于各個系統(tǒng)的采樣速率不完全相同，給數(shù)據(jù)分析也帶來了一定得困難，為此需要專門設計了一個數(shù)據(jù)對齊模塊，將所有數(shù)據(jù)進行事后對齊。

3 應用案例

下面是某型航空發(fā)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步方法的案例。此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是基于LXI設備組建，要采集的數(shù)據(jù)來自于LXI總線的EX1000A系列，VXI設備（通過EX2500A來轉換為LXI總線），還有 PSI9116系列壓力模塊，發(fā)動機的控制器，測功器等設備等。其系統(tǒng)結構圖如下圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)結構圖

3.1 同步觸發(fā)實現(xiàn)方式

如下圖2所示，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步信號的源頭是VXI機箱的E1413C，其信號通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)絍XI零槽控制器EX2500A，通過EX2500A進一步傳遞信號到其他VXI設備和LXI設備，以保證VXI和LXI設備之間的硬件采集同步。保證LXI設備內的數(shù)據(jù)同步是所有數(shù)據(jù)同步的基礎。

LXI設備的EX1000A系列和VXI的零槽控制器EX2500A均支持LXI Trigger bus，故LXI 部分和VXI部分通過LXI Trigger Bus實現(xiàn)同步觸發(fā)。其它系統(tǒng)同步觸發(fā)信號的輸入/輸出通過EX2500的Trigger In/Out接口來實現(xiàn)。這樣使得系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)實現(xiàn)同步觸發(fā)。

設備同步過程如下：VXI機箱內設備采用背板觸發(fā)總線進行觸發(fā)，VXI機箱中的EX2500A設備可以輸出一個LXI Trigger Bus總線信號，用于同步觸發(fā)EX1000A設備，同時EX2500A可以輸出一個TTL信號，用于同步觸發(fā)PSI設備，因為有多個PSI機箱，則在其間增加一個TTL信號觸發(fā)分支器，把一個觸發(fā)信號分到多個PSI機箱中。開始采集時，由采集軟件發(fā)送一個觸發(fā)指令給EX2500A設備，其后執(zhí)行以上觸發(fā)流程。

3.2 時鐘同步的實現(xiàn)方式

⑴如上圖2所示，LXI設備之間會自動運行PTP精密時鐘協(xié)議或者通過Trigger Bus總線以保證時鐘同步。LXI設備和VXI 設備的LXI控制器（EX2500A）本身支持PTP 協(xié)議。只需要將LXI設備配置在同一個局域網(wǎng)內，PTP精密時鐘協(xié)議會自動運行同步時鐘。

⑵對于其它總線設備，按照以下方法進行同步處理：

如果可以接受外部觸發(fā)信號，就接入同一觸發(fā)信號以保證同時觸發(fā)。在同時觸發(fā)的條件下，如果設備沒有和LXI設備保持時鐘實時同步的機制，可以按照設置的采集頻率使用設備內部時鐘進行順序采樣。如PSI系統(tǒng)，在保證觸發(fā)時間一致基礎上，基于其內部時鐘頻率進行數(shù)據(jù)采樣，之后當采集程序接收到PSI設備返回的數(shù)據(jù)時再打上時間戳，以便進行事后對齊。

如果同時觸發(fā)和時鐘同步都不能保證，就只能依據(jù)數(shù)據(jù)的時間戳進行事后對齊。時間戳的來源有兩種，一是在采集過程中打上時間戳，如LXI設備。另外一種采集設備本身沒有給采集數(shù)據(jù)打上時間戳的功能，只能在采集程序接收到數(shù)據(jù)時人為打上時間戳。如測功器設備和發(fā)動機機控制器等，由于采集系統(tǒng)無法對其進行控制，只能在接收到數(shù)據(jù)時再打上時間戳，再進行事后對齊。這種方法的數(shù)據(jù)同步精度較低。

各個設備本身內部的時間同步精度較高，但全部數(shù)據(jù)同步的精度取決于事后數(shù)據(jù)對齊時的精度損失。

3.3 采集數(shù)據(jù)的事后對齊

圖3描述了數(shù)據(jù)從采集端發(fā)送到數(shù)據(jù)合成端的過程。由于采用了外部觸發(fā)，各個采集設備開始采集的時刻是一致的，在不出現(xiàn)異常情況下，設備內部會按照設置好的采集頻率返回數(shù)據(jù)包。然后發(fā)送給數(shù)據(jù)對齊模塊，對齊時遵循這樣一個規(guī)則，每個采集設備都按照把采集到每包數(shù)據(jù)順序整理，然后再把所有設備數(shù)據(jù)按照時間點進行對齊。

由于各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集頻率不完全一致，這就給數(shù)據(jù)事后同步帶來的困難。解決的方法有兩種，一種是采集較快的模塊等待采集較慢的模塊。另一種是對較慢的模塊數(shù)據(jù)進行復制處理，以和較快的模塊數(shù)據(jù)進行對應。數(shù)據(jù)合成模塊會把所有設備數(shù)據(jù)依據(jù)設定的原則，把數(shù)據(jù)合成一個個時間包，如上圖3所示。

數(shù)據(jù)的同步精度取決于采集系統(tǒng)中每一臺設備的精確同步。整個系統(tǒng)中以LXI設備的采樣率最為精確，而且LXI設備的每遍數(shù)據(jù)都有時標，并且數(shù)據(jù)的時標是在AD轉換時由采集設備標記上的，數(shù)據(jù)的時標非常接近數(shù)據(jù)產生時的時間，此時標是非常精確的，因此整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的時標以LXI設備數(shù)據(jù)時標為基準。通過在計算出與LXI設備的時間差，其他設備在數(shù)據(jù)在進行時間修正后與LXI設備采集數(shù)據(jù)的時標來對齊。同步方法如下：

⑴找出數(shù)據(jù)對齊的標準時標Ti與接收時標ti的關系

整個系統(tǒng)我們可以選定LXI設備數(shù)據(jù)時標作為基準時間，其它系統(tǒng)的時間以基準時間為對齊標準。其他沒有自帶時間戳功能

圖2 同步觸發(fā)和時鐘同步信號流程圖

圖3 采集數(shù)據(jù)的同步邏輯圖

的設備數(shù)據(jù)只能使用程序的接收時間ti來間接計算出被設備采集的時間Ti，Ti也即是數(shù)據(jù)對齊時的標準時標。

同一時刻產生的觸發(fā)信號進入不同設備之后，再到程序采集到每個設備的一包數(shù)據(jù)，之間有一個穩(wěn)定的時間間隔Δt，因此只要計算出每個設備的時間間隔Δti，在數(shù)據(jù)對齊時就可以根據(jù)ti計算出Ti，即 Ti=ti-Δti。

⑵算出每個采集設備同基時標T0的時間差Δti

當程序在采集到某一包LXI設備的數(shù)據(jù)時，設此包含的時間戳為T0，也即是此次采集的基準時間，然后我們再記錄下LXI設備數(shù)據(jù)被計算機接收到的時間t0，LXI設備數(shù)據(jù)從被采集到被程序接收到的時間差為Δt0=(t0-T0)。通過驗證，可以認為在同一信號觸發(fā)下，所有設備開始采集信號時間是基本相同的，即Ti=To，不同設備數(shù)據(jù)接收的時間差異主要因為數(shù)據(jù)采集之后的處理、打包、發(fā)送等過程。

有如下等式成立。Ti=ti-Δti= t0-Δt0= T0

則有Δti= ti- T0

由于每個設備的從采集到數(shù)據(jù)被程序接收的間隔時間是穩(wěn)定的，即Δti會保持不變，因此以后接收到的每遍數(shù)據(jù)都可以由Δti和數(shù)據(jù)的每次接收時間來計算出采集時標，即用于和LXI設備的數(shù)據(jù)采集時標進行對齊。

⑶精度損失問題

這種對齊方法會引入計算機本身的時間誤差，但是由于LXI設備本身采集數(shù)據(jù)時間標志非常準確，并且LXI設備之間的時鐘同步的精度也很高，所以可以保證LXI設備數(shù)據(jù)的對齊精度。對于其他沒有時間戳功能的設備數(shù)據(jù)的同步精度，則由計算機本身的時鐘精度所決定，最高能達到毫秒級。

4 結論

LXI總線基于開放的工業(yè)網(wǎng)絡標準，具有分布式的架構、靈活的配置形式、高速的數(shù)據(jù)傳輸、高精度的系統(tǒng)同步等優(yōu)勢，有效解決了大型測試系統(tǒng)中多設備的快速部署和數(shù)據(jù)同步問題，提高了系統(tǒng)的精度和測試效率。但要使用過程中仍需要仔細考慮其使用的方法，以滿足各種不同的需要。下面是設計采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步方法需要注意的關鍵問題。

⑴整個測試系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)同步是一個非常重要的功能，而保證數(shù)據(jù)同步的基礎是首先保證每個測試子系統(tǒng)的同步觸發(fā)，而保證子系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步觸發(fā)的較好方案是采用同一個外部觸發(fā)信號來觸發(fā)所有采集設備進行采集，以此保證一個子系統(tǒng)中所有設備采集時間的統(tǒng)一。一般來講，每個設備的內部時鐘是非常精確的，可以保證在設定采樣率情況下的采樣點數(shù)，因此在經(jīng)過相同的時間，每個設備的采樣點數(shù)基本一樣，各個設備的采樣點數(shù)據(jù)對齊可以按照采樣點序號進行。

⑵在保證單一子系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)同步的前提下，數(shù)據(jù)同步的核心問題是多子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)同步。因為子系統(tǒng)是獨立運行，可以分別啟動和停止，并且有些子系統(tǒng)設備無法采用外部觸發(fā)信號來進行同步采集。因此，我們可以采用事后按照時間標識的對齊方式來保證采集數(shù)據(jù)的同步。這就要求每遍數(shù)據(jù)都具有一個與之對應的時間戳，所有數(shù)據(jù)都會按照此時間戳進行對齊。

⑶采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步的處理方法需要綜合考慮各種因素。比如當數(shù)據(jù)的實時性要求比較高時，則其子系統(tǒng)在數(shù)據(jù)同步同時還要保證一定的采集速率；這就要求采集速率較慢的設備數(shù)據(jù)要盡量跟上較快的數(shù)據(jù)，在選用數(shù)據(jù)的合成方法時可以對慢速數(shù)據(jù)進行多次復制以對應快速數(shù)據(jù)。同理，當需要保證較高的數(shù)據(jù)同步精度時，我們可以通過讓采集塊的系統(tǒng)適當?shù)却杉南到y(tǒng)來達到提高同步精度的目的。

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Research on Data Synchronization Method of LXI-Based Data Acquisition System

Wang Jing,Luo Dan
（AECC HuNan Aviation Powerplant Research Institute,Zhuzhou Hunan,412002）

For large aircraft engine data acquisition system, a large number of signals should be collected.It is not just a simple superposition of different device signals, but also requires that the different devices signal must be kept higher precision data synchronization. LXI bus is a new generation instrument bus, which is based on the open industrial network standards, with a distributed architecture, highspeed data transmission, high-precision system synchronization and other advantages. One data acquisition system of aero-engine is designed and built based on LXI bus equipment, making full use of the advantages of LXI bus, effectively solving the problem of data synchronization of large data acquisition system, and improving the accuracy and test efficiency of the system.

Synchronous trigger; Clock synchronization; LXI; data acquisition