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一．分布式實時采集系統(tǒng)概述
東海大橋由于身處外海海域，不僅需要經(jīng)受海水腐蝕、地震臺風(fēng)自然災(zāi)害、還有各種通行工具對橋梁結(jié)構(gòu)造成緩慢的損害。對橋梁進行實時監(jiān)測，為了及時獲知橋梁的健康狀況，對各種突發(fā)時間做出響應(yīng)，以及進行必要的養(yǎng)護工作，延長橋梁的使用壽命。監(jiān)測數(shù)據(jù)還能進行進一步研究分析，對橋梁的基礎(chǔ)研究具有非常大的幫助。
為什么要使用時鐘同步技術(shù)？由于橋梁屬于較為特殊的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造范圍很廣，監(jiān)測點分散在各處，很多監(jiān)測項目又具有實時性的特點，例如地震、臺風(fēng)、交通事故等等，對于各部位監(jiān)測數(shù)據(jù)需要非常準(zhǔn)確的時間同步，一般的數(shù)據(jù)采集技術(shù)難以達到監(jiān)測要求，如果不采用時鐘同步技術(shù)，極有可能造成各個監(jiān)測點采集數(shù)據(jù)時間上的微小誤差，不僅造成監(jiān)測結(jié)果的不準(zhǔn)確，還嚴(yán)重影響了對橋梁健康的研究分析。而通過GPS時鐘同步技術(shù)完全可以避免這些問題。
二．GPS PPS技術(shù)和其他時鐘同步技術(shù)介紹與比較
如圖1所示，整個采集系統(tǒng)分散在橋梁的各個部位。橋梁按照區(qū)域劃分為若干區(qū)段，在主要幾個區(qū)段中安置著信號采集機站，各個采集機站之間相距幾公里甚至十幾公里，每組采集機站均和GPS同步時鐘接受器相連，GPS PPS接收器接受GPS時鐘同步信號，做相應(yīng)的處理得到時鐘同步信號和絕對時間戳并發(fā)送給PXI采集設(shè)備，采集設(shè)備接收處理后的GPS同步信號，達到同步整個分布式采集系統(tǒng)。
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圖1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警監(jiān)測圖 |
這里說的時鐘同步有2方面含義：
數(shù)據(jù)采樣頻率的同步，包括采樣時鐘信號的脈沖同步以及相位同步。
時間軸上的同步，即采樣點時間標(biāo)簽的同步。
只有2方面都達到同步，才能稱為真正的同步采集。
目前除了GPS PPS時鐘同步技術(shù)方案外，主要還有其他2種時鐘同步技術(shù)方案：
1. 機箱直連時鐘同步技術(shù)：
主要采用了PXI-6653時鐘同步模塊的時鐘頻率共享技術(shù)，每個采集設(shè)備中都裝有PXI 6653時鐘同步模塊，然后用同軸電纜把各個采集設(shè)備的6653模塊相連，以其中一個模塊作為主模塊，其余的作為從模塊；主模塊內(nèi)部的時鐘信號通過同軸電纜同步從模塊內(nèi)部的時鐘信號，PXI-4472B都用次信號作為采樣時鐘。時間戳同步可以采用網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器。
2. GPS IRIG-B時鐘同步技術(shù)：
該技術(shù)與GPS PPS技術(shù)極為相似，都是通過GPS接收器接收GPS同步信號，做相應(yīng)的處理并發(fā)送給采集設(shè)備做采集同步，和GPS PPS所不同的是IRIG-B時鐘同步信號中含有絕對時間，需要由PXI-6608來接收該信號，并將其解析為可用的時間戳。
3. 三種時鐘同步技術(shù)的比較：
1) 適用性
機箱同步技術(shù)由于電纜的局限性，距離過長會導(dǎo)致信號衰減，很難做到公里級數(shù)的時鐘同步采集，所以在本系統(tǒng)中無法適用。而GPS PPS和GPS IRIG-B技術(shù)都采用衛(wèi)星來作為同步時鐘信號傳輸?shù)妮d體，可以做到無地域限制的同步采集，符合本系統(tǒng)的同步需求。
2) 準(zhǔn)確性
機箱同步技術(shù)采用主從時鐘模塊同步的方式，以一個時鐘模塊的內(nèi)部時鐘作為其余時鐘模塊的參考時鐘，雖然理論上同步的準(zhǔn)確性可以保證，但是由于信號通過電纜作為載體發(fā)送，長時間運行后，電纜的自身老化以及外部的突發(fā)事件是否會對信號的造成干擾，不得而知。而其它2種GPS技術(shù)，在時鐘信號的傳輸上都采用衛(wèi)星無線發(fā)送，極少極少會受到信號干擾，唯一需要擔(dān)心的是信號接收天線的維護。
3) 成本對比
機箱同步技術(shù)由于無需額外的GPS信號接收設(shè)備，所以成本最低。GPS
IRIG-B技術(shù)不僅需要額外采用相對昂貴的PXI-6608，還須包括GPS IRIG-B信號接收器的成本。而GPS PPS可以把PXI-6608換成便宜的PXI-6602，PXI-6653換成PXI-6652，并且GPS PPS信號接收器的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GPS IRIG-B。
三．GPS PPS時鐘同步技術(shù)的系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)主要由GPS接收器和NI PXI采集設(shè)備2大部分組成。結(jié)構(gòu)如圖2：
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圖2 GPS PPS時鐘同步系統(tǒng)組成圖 |
1. GPS接收器系統(tǒng)組成
GPS同步時鐘接收器的輸入端連接著一個GPS信號接受天線，接受來自GPS衛(wèi)星發(fā)送的時鐘信號，輸出端分為3部分：
10M PPS（Pulse Per Second）信號：用于同步采集系統(tǒng)，作為采集系統(tǒng)的采樣基頻。此信號不包含任何的時間信息，僅僅為簡單的脈沖信號，脈沖間隔為10納秒。
1 PPS（Pulse Per Second）信號：用于采集系統(tǒng)觸發(fā)采集使用，此信號同上，僅僅為簡單的脈沖信號，脈沖間隔為1秒。
絕對時間（GMT）信號：用于替代采集系統(tǒng)自身的時間標(biāo)簽，此信號采用NEMA標(biāo)準(zhǔn)。
對于PPS（Pulse Per Second）信號，如圖所示，它是一個很簡單的，不包含任何時間信息（年或月之類）的脈沖信號，以1 PPS為例，每秒發(fā)生1次脈沖，每個脈沖的寬度通常為100毫秒，PPS信號是一種較為簡單的同步技術(shù)，但其效果卻不亞于任何復(fù)雜的同步時鐘信號。
絕對時間信號，該信號采用NEMA標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)形式為GMT時間，以字符串方式顯示，例如"06.001….."，其中第一部分為年份，第二部分為年中天數(shù)，第三部分為一天的具體時間，精確到秒級。
2. PXI采集設(shè)備系統(tǒng)組成
PXI采集設(shè)備采用NI PXI-1045 18槽機箱，NI PXI-8187主控制器為主，采集卡為NI PXI 6652、6602、4472B，其中：
PXI 6652時鐘同步模塊采用NI提供的SMB接口與GPS接收器的10M PPS輸出端相連，接收10M PPS時鐘信號，并且將此時鐘信號進行分頻，把分頻后的時鐘信號提供到PXI機箱背板，提供給高速同步采集卡PXI 4472B作為采樣時鐘頻率。
PXI-6602計數(shù)器采用接線段子板與GPS接收器的1 PPS輸出端相連，需要同時接入2個輸入端口，都接收1 PPS信號，第一個輸入端收到信號后，按1 PPS頻率進行計數(shù)，并設(shè)定采集時間，當(dāng)達到采集的起始時間，PXI-6602提供觸發(fā)信號，觸發(fā)PXI-4472B開始采集；第二個輸入端的1 PPS頻率脈沖為4472B提供相位同步觸發(fā)脈沖。
PXI-8187控制器的標(biāo)準(zhǔn)232串口與GPS接收器的絕對時間輸出端相連，接收GPS接收器提供的絕對時間信息，并計算每個采樣點的時間間隔＋觸發(fā)開始的絕對時間來獲取該采樣點的絕對時間標(biāo)簽。
需要注意的是，PXI-6652采集卡必須插在機箱的第二個槽位，即主控制器相鄰的槽位，否則時鐘同步無效。
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圖3 GPS PPS信號接收器硬件組成圖 |
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圖4 PXI 工控機箱硬件組成圖 |
四．系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
該系統(tǒng)的軟件開發(fā)是以LabVIEW 7.1為平臺，并配以NI-SYNC開發(fā)工具包。采用PXI-1045 18槽機箱，PXI-8187主控制器，PXI-6652時鐘同步模塊，PXI-6602計數(shù)器模塊，PXI-4472B動態(tài)信號采集卡等作為硬件基礎(chǔ)。
開發(fā)人員則通過NI-SYNC時鐘同步開發(fā)工具包以及LabVIEW DAQmx采集模塊對相關(guān)硬件進行開發(fā)。
1. 獲取GPS時鐘同步信號首先通過NI-SYNC開發(fā)工具包提供的編程模塊對PXI-6652進行相應(yīng)配置。開啟6652的PLL鎖相環(huán)以及PLL頻率，設(shè)置10M PPS信號的輸入端獲取同步時鐘信號，對時鐘信號分頻，將分頻后時鐘信號發(fā)布到機箱背板的PXI_STAR信號線上進行時鐘頻率脈沖同步，并將PXI_Trig2觸發(fā)線（源）連接到PXI_Trig5觸發(fā)線上，以同步頻率時鐘為觸發(fā)頻率進行相位同步的設(shè)置。
2. 配置6602計數(shù)器模塊通過LabVIEW DAQmx模塊對PXI 6602進行配置，首先設(shè)置6602的第2個1 PPS輸入端將信號發(fā)送給PXI_Trig2給4472B的相位同步做準(zhǔn)備，然后設(shè)置6602的第1個1 PPS輸入斷將信號發(fā)送給PXI_Trig0作為4472B觸發(fā)采集信號，最后根據(jù)定時觸發(fā)采樣的時間戳，設(shè)置6602倒計時器的初始數(shù)值，倒計時開啟觸發(fā)采樣。
3. 觸發(fā)4472B動態(tài)信號采集卡通過LabVIEW DAQmx模塊，將PXI_STAR信號線作為4472B的采樣時鐘頻率源的時鐘頻率，將PXI_Ttrig5信號線作為相位同步源；并設(shè)置PXI_TRIG0信號通過6602的計時觸發(fā)信號開啟4472B的采集工作。
如圖5所示，完成所有設(shè)置，并開啟采集任務(wù)后，按照預(yù)定的采集時間，采集設(shè)備自動同步開始采集。經(jīng)檢驗，采樣數(shù)據(jù)無論從采樣時鐘同步還是相位同步都達到了預(yù)期的要求。
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圖5 GPS時鐘同步采集系統(tǒng)測試界面 |
五．總結(jié)與展望
本系統(tǒng)采用了目前技術(shù)領(lǐng)先的GPS PPS時鐘同步技術(shù)，以及NI模塊化數(shù)據(jù)采集設(shè)備。
通過對現(xiàn)有的采集同步技術(shù)進行一系列對比，從適用性、準(zhǔn)確性、成本等多方面考慮，GPS PPS時鐘同步技術(shù)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，并倚靠LabVIEW強大的開發(fā)平臺進行設(shè)計，成功的完成了整個采集系統(tǒng)設(shè)計，達到了最初的設(shè)計功能指標(biāo)，節(jié)約了大量的人力物力成本。
GPS同步技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展以及大量應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)有了比較成熟的開發(fā)方案，與現(xiàn)有的NI采集系統(tǒng)相結(jié)合開發(fā)，對于大型分布式采集系統(tǒng)，有著得天獨厚的優(yōu)勢，不僅打破了原有時鐘同步技術(shù)的地域局限，并且在完成相同功能的情況下，降低了GPS技術(shù)的開發(fā)成本。該系統(tǒng)目前已經(jīng)全部開發(fā)完成并投入了正式的運行，對東海大橋的健康安全起著至關(guān)重要的作用，得到了業(yè)主以及相關(guān)橋梁研究人員的肯定；除了橋梁健康監(jiān)測以外，其他一些大型結(jié)構(gòu)項目的健康監(jiān)測也完全適用于該系統(tǒng)，應(yīng)用前景非常廣闊。 | 