無線數(shù)據(jù)采集時間同步協(xié)議研究與工程應(yīng)用

任際周，王洪輝，庹先國,2，張貴宇

（1.成都理工大學 信 息工程學院，四川 成 都 6 10059；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,四川 成 都 6 10059）

在相關(guān)性很強的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，高精度時間同步是許多應(yīng)用的必需條件。地質(zhì)勘探中的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，面臨著各通道之間的時間同步難題[1]。傳統(tǒng)工程勘探中，一般采用有線方式傳輸采集到的數(shù)據(jù)，由于導線帶來的時間同步誤差較小，在研制儀器的過程中不必考慮非同步效應(yīng)。隨著勘探環(huán)境的日益復雜，無線通信技術(shù)以其可移動性、架設(shè)簡單、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點在實際作業(yè)中表現(xiàn)出極大優(yōu)勢[1-2]，但由此就帶來了無線傳輸?shù)耐骄葐栴}，提高時間同步精度成為物探裝備研制的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。

目前無線技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到石油勘探中[3]，但工程地質(zhì)普遍使用的彈性波測試儀還是有線電纜方式，施工需要大量的人力物力[4]。鑒于此，提出采用專用射頻芯片，實現(xiàn)彈性波的無線數(shù)據(jù)采集，并在微控制器（Micro Controller Unit，MCU）的指揮下配合時間同步協(xié)議，提高無線通信的時間同步精度。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與無線通信兩部分，此處重點研究無線通信系統(tǒng)，從提高無線時間同步精度的目標出發(fā)，著重對其結(jié)構(gòu)組成、時間同步誤差來源、提高時間同步精度措施、硬件、軟件設(shè)計實現(xiàn)等進行論述。其原理框圖如圖1所示[5]。

圖1系統(tǒng)采集、傳輸原理框圖Fig.1Block diagram of system acquisition and transmission

圖1左半部分為無線采集卡，實現(xiàn)檢波器模擬信號的數(shù)字量化并進行無線傳輸，無線模塊實現(xiàn)采集卡與主機的通信，包括數(shù)據(jù)發(fā)送和命令接收。

圖1右半部分為主機接收站，MCU通過無線模塊完成對各采集卡的控制并進行數(shù)據(jù)接收，采用FT245BM芯片實現(xiàn)與PC機的USB2．0實時傳輸[6]，信號處理部分在上位機通過VC++軟件編程實現(xiàn)。

根據(jù)施工環(huán)境的不同，選用個數(shù)不等的無線采集卡，配合主機完成勘探任務(wù)。整個系統(tǒng)采用無線模塊nRF905[8]實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，打破傳統(tǒng)工程勘探有線傳輸?shù)膯我痪置?，為施工帶來極大便利。

2 無線時間同步協(xié)議

2.1 時間同步誤差分析

彈性波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)動作過程為：主機向各采集卡（從機）發(fā)送命令，各采集卡接收到命令之后進行指令解析，判斷出是采集命令后啟動采集程序，并記錄當前采集時間，當接收到主機的數(shù)據(jù)回傳命令時，對應(yīng)采集卡將采集的數(shù)據(jù)打包、壓縮，加上報頭（自身ID號）一并發(fā)送，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖Fig．2Structure diagram of system

在這個動作過程中，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生時間不同步的有2個地方：一是各采集卡接收主機指令時間不一致，二是各采集卡解析指令（采集和回傳數(shù)據(jù)指令）時間不一致，導致采集卡采集到的信息并不是一個時刻點的。造成第一個時延差的因素較多，如主機到各從機的物理距離不一致（這個條件在近距離無線傳輸中可以忽略）、選用的無線模塊通過不斷切換頻點來與各模塊通信（切換產(chǎn)生主要時延差）等。造成第二個時延差的主要環(huán)節(jié)在于無線模塊本身解析指令存在時延差，一般在μs級，要想提高無線時間同步精度到μs級，就必需盡可能降低時延差。

時間同步誤差帶來的后果是各通道回傳的數(shù)據(jù)并不是同一時刻的彈性波信息，各通道數(shù)據(jù)之間存在一定的時延差，達幾十μs，給后續(xù)數(shù)據(jù)處理和解釋帶來較大誤差，甚至導致錯誤的結(jié)論。

2.2 提高時間同步精度措施

要解決時間同步問題，理論上要做到兩點：保證各采集模塊接收到主機指令的時間差為零；保證各無線模塊對主機指令的解析耗時一致。實際設(shè)計時，只能盡量減小時間差，提高時間同步精度。

針對第1個時延差（即采集卡接收主機指令時間不一致），系統(tǒng)選用的nRF905模塊具有獨特的地址匹配監(jiān)測AM（Address Match，地址匹配）功能[7]，當接收到與自身地址號（也就是彈性波采集通道號）相同的信息時，產(chǎn)生一個硬件中斷信號，通知MCU進行處理，響應(yīng)時間極短（提高單片機時鐘頻率后可忽略不計）。另外，主機向各從機發(fā)送指令時，不必切換頻點，只需更換報頭（AM1、AM2．．．），節(jié)省大量指令時間，達到控制時延差的目的。

針對第2個時延差（無線模塊本身解析指令時延差），系統(tǒng)設(shè)計了時間同步模式預(yù)調(diào)整進程。即每次采集之前啟動時間同步模式進程，進行時間同步模式調(diào)整。具體做法為：在時間同步模式下，把所有從機設(shè)置成相同的地址（如AM），主機向所有的從機發(fā)送一個同步指令（同步地址AM加上一個空的數(shù)據(jù)包），從機（如從機1號）接收到這個地址的數(shù)據(jù)包，當檢測地址（AM）匹配了以后，AM引腳產(chǎn)生電平跳變（由低變高），同時產(chǎn)生一個DR（Data Ready，數(shù)據(jù)準備好）信號，作為單片機的中斷脈沖源，在中斷服務(wù)程序里面記錄某個計數(shù)器的當前值T1；發(fā)送第二次同步指令，同樣記錄同一個計數(shù)器的當前值T2；連續(xù)同步多次（假定5次），得到T3，T4，T5。取時間間隔差ΔTn（Tn+1－Tn）的平均值ΔT=（ΔT1+ΔT2+ΔT3+ΔT4）/4，取5次時間的中間值T=（T1+T5）/2，做一個差值TT=T－ΔT作為同步點。同理，其他各采集卡也會有一個同步點TTx，當接到主機的采集命令后，啟動內(nèi)部計數(shù)器，當計數(shù)時間達到TTx時立即啟動ADC采樣，實現(xiàn)同步。

3 系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計

3.1 硬件電路

無線模塊采用Nordic半導體公司的核心射頻芯片nRF905，采用SPI（Serial Peripheral Interface，串行外圍設(shè)備接口）與單片機接口，工作在433/868/915 MHz頻段，增加了多點同時數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰7]。所采用的高抗干擾GFSK調(diào)制，內(nèi)置完整的通信協(xié)議和CRC，傳輸速率可達100 kb/s，湖面通信距離500 m。另外，工作在低電壓范圍（1．9～3．6 V），電流消耗低，在發(fā)射功率為10 dBm時，發(fā)射電流為11 mA，接收電流為12．5 mA，待機功耗2 μA有利于省電，延長工作時間，目前已得到廣泛應(yīng)用[4－7]。

硬件上nRF905與MCU采用SPI總線接口連接，邏輯控制上采用MCU口線方式[7]，如圖3所示。

3.2 軟件設(shè)計

軟件上采用了ATmega32L單片機內(nèi)部集成的SPI控制器，設(shè)置其數(shù)據(jù)傳輸速率為MCU時鐘的1/64，即8*1/64 MHz＝128 kHz。采用AVR Studio IDE、C51語言編寫了nRF905發(fā)送、接收兩個功能函數(shù)。

nRF905采用VLSI Shock－Burst技術(shù)，在RX模式中，地址匹配AM和數(shù)據(jù)準備就緒DR信號通知MCU一個有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成。在TX模式中，nRF905自動產(chǎn)生前導碼和CRC校驗碼，DR信號通知MCU數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。這兩種模式為節(jié)省指令時間、提高時間同步精度起到?jīng)Q定性作用。

1）Shock－Burst RX模式工作過程

圖3硬件接口電路圖Fig.3Circuit of hardware interface

通過設(shè)置TRX_CE高電平、TX_EN低電平來選擇RX模式。過程為：650 μs以后，nRF905監(jiān)測空中的信息；當nRF905發(fā)現(xiàn)和接收頻率相同的載波時，CD被置高電平；當nRF905接收到有效的地址時，AM被置高電平；當nRF905接收到有效的數(shù)據(jù)包（CRC校驗正確）時，nRF905去掉前導碼地址和CRC位，DR被置高電平。

圖4為接收模式流程圖。采用了外部中斷觸發(fā)機制（INT0），減小了MCU運行開銷。

圖4無線接收流程圖Fig.4Flow chart of wireless receive

//外部中斷0中斷服務(wù)程序

ISR（INT0_vect）

{DR_FLAG=1；//置標志位}//GET_MODEL：接收模式

set_nRF_status（RX）;//設(shè)置nRF為接收模式

if（DR_FLAG==1）//判斷中斷標志位

{DR_FLAG=0;//標志位清0

set_nRF_status（STANDBY）;//穩(wěn)定模式

addr＝get_rx_address（）;//接收地址

data=get_rx_payload（）;//接收數(shù)據(jù)

set_nRF_status（RX）;//連續(xù)接收}

2）Shock-Burst TX模式工作過程

MCU設(shè)置TRX_CE、TX_EN為高電平來激活一次傳輸。過程為：無線系統(tǒng)自動上電；數(shù)據(jù)包完成添加前導碼和CRC校驗碼；數(shù)據(jù)包發(fā)送100 kb/s GFSK曼徹斯特編碼。如果AUTO_RETRAN被設(shè)置為高電平，nRF905將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包直到TRX_CE被設(shè)置為低電平。當發(fā)送結(jié)束后，新的模式被激活，圖5為無線發(fā)送模式流程圖。

圖5無線發(fā)送流程圖Fig.5Flow chart of wireless translation

//SEND_MODEL：發(fā)送模式

set_tx_address（channel_id）;//設(shè)置發(fā)送地址

set_tx_payload（channel_data）;//設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)

set_nRF_status（TX）;//設(shè)置nRF為發(fā)送模式

4 結(jié) 論

提出的時間同步協(xié)議已經(jīng)被成功應(yīng)用到所研制的彈性波測試儀中。同時，在某地質(zhì)調(diào)查課題野外施工的基礎(chǔ)上，對傳輸距離和時間同步誤差進行了測試。測試結(jié)果表明野外500 m無誤碼傳輸，實現(xiàn)48道（道間距3 m，偏移距50 m）彈性波無線數(shù)據(jù)采集；時間同步誤差控制在2 μs以內(nèi)。存在的問題：隨著施工環(huán)境復雜度的增加，傳輸距離受到限制且誤碼率有所增加，選用大功率無線模塊時會使整機功耗增大。

總體來說，所提出的無線時間同步協(xié)議能較好地滿足實際要求。工作效率大大提高，時間縮短到有線方式的1/3，該技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景。

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