基于 GPS 技术实现分布式数据同步采集系统

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1、基于GPS技术实现分布式数据同步采集系统作者：詹永麟职务：软件开发公司：上海巨一科技有限公司应用领域：桥梁健康监测使用的产品：Labview7.1NI-SYNC时钟同步开发包PXI1045机箱PXI8187主控制器PXI6652同步时钟模块PXI6602计时器PXI4472B动态信号采集卡，挑战：构建大型分布式数据同步采集系统，该系统分布在近30公里长的东海大桥上，范围较广，同时大桥处于外海，并担负着连接市区与深水港枢纽的重任，因此需要对桥梁健康状况进行实时监控，而监测数据的正确性对于桥梁的评估和研究

2、显得尤为重要。应用方案：使用GPSPPS时钟同步技术，对分布在桥体各个位置的采集机站进行采样时钟同步，每个采集机站都采用NI公司的PXI工控机箱以及相关的板卡与GPS时钟同步信号接收器相连。在此硬件基础上，通过NI公司LABVIEW平台以及相关软件开发包来设计开发整个同步采集系统。介绍：采集系统自身的环境限制导致设备的分散性，保证各个采集设备之间数据的同步性，使之分析出来的结果更具有研究和使用价值，并在一个可控的成本下实现，是摆在设计者面前的难题。相对于其他2种技术方案：基于短距离低成本的机箱同步技术

3、和基于长距离高成本的卫星同步技术。GPSPPS是一种集2者优点于一身的时钟同步技术。不仅能获得和高成本技术相同的效果，并且还能节约大量成本。正文：一．分布式实时采集系统概述东海大桥由于身处外海海域，不仅需要经受海水腐蚀、地震台风自然灾害、还有各种通行工具对桥梁结构造成缓慢的损害。对桥梁进行实时监测，为了及时获知桥梁的健康状况，对各种突发时间做出响应，以及进行必要的养护工作，延长桥梁的使用寿命。监测数据还能进行进一步研究分析，对桥梁的基础研究具有非常大的帮助。为什么要使用时钟同步技术？由于桥梁属于较为特

4、殊的结构，构造范围很广，监测点分散在各处，很多监测项目又具有实时性的特点，例如地震、台风、交通事故等等，对于各部位监测数据需要非常准确的时间同步，一般的数据采集技术难以达到监测要求，如果不采用时钟同步技术，极有可能造成各个监测点采集数据时间上的微小误差，不仅造成监测结果的不准确，还严重影响了对桥梁健康的研究分析。而通过GPS时钟同步技术完全可以避免这些问题。二．GPSPPS技术和其他时钟同步技术介绍与比较图1桥梁健康监测系统的预警监测图如图1所示，整个采集系统分散在桥梁的各个部位。桥梁按照区域划分为若

5、干区段，在主要几个区段中安置着信号采集机站，各个采集机站之间相距几公里甚至十几公里，每组采集机站均和GPS同步时钟接受器相连，GPSPPS接收器接受GPS时钟同步信号，做相应的处理得到时钟同步信号和绝对时间戳并发送给PXI采集设备，采集设备接收处理后的GPS同步信号，达到同步整个分布式采集系统。这里说的时钟同步有2方面含义：数据采样频率的同步，包括采样时钟信号的脉冲同步以及相位同步。时间轴上的同步，即采样点时间标签的同步。只有2方面都达到同步，才能称为真正的同步采集。目前除了GPSPPS时钟同步技

6、术方案外，主要还有其他2种时钟同步技术方案：1.机箱直连时钟同步技术：主要采用了PXI6653时钟同步模块的时钟频率共享技术，每个采集设备中都装有PXI6653时钟同步模块，然后用同轴电缆把各个采集设备的6653模块相连，以其中一个模块作为主模块，其余的作为从模块；主模块内部的时钟信号通过同轴电缆同步从模块内部的时钟信号，PXI4472B都用次信号作为采样时钟。时间戳同步可以采用网络时间服务器。2.GPSIRIG-B时钟同步技术：该技术与GPSPPS技术极为相似，都是通过GPS接收器接收GPS同步信号

7、，做相应的处理并发送给采集设备做采集同步，和GPSPPS所不同的是IRIG-B时钟同步信号中含有绝对时间，需要由PXI6608来接收该信号，并将其解析为可用的时间戳。3.三种时钟同步技术的比较：1)适用性机箱同步技术由于电缆的局限性，距离过长会导致信号衰减，很难做到公里级数的时钟同步采集，所以在本系统中无法适用。而GPSPPS和GPSIRIG-B技术都采用卫星来作为同步时钟信号传输的载体，可以做到无地域限制的同步采集，符合本系统的同步需求。2)准确性机箱同步技术采用主从时钟模块同步的方式，以一个时钟模

8、块的内部时钟作为其余时钟模块的参考时钟，虽然理论上同步的准确性可以保证，但是由于信号通过电缆作为载体发送，长时间运行后，电缆的自身老化以及外部的突发事件是否会对信号的造成干扰，不得而知。而其它2种GPS技术，在时钟信号的传输上都采用卫星无线发送，极少会受到信号干扰，唯一需要担心的是信号接收天线的维护。3)成本对比机箱同步技术由于无需额外的GPS信号接收设备，所以成本最低。GPSIRIG-B技术不仅需要额外采用相对昂贵的PXI6608，还须包括GPSIRI