无线数据采集时间同步协议研究与工程应用

杨 柳,彭长宇

(1.成都大学实验技术中心,四川成都 610106;2.成都大学教务处,四川成都 610106)

0 引 言

传统工程勘探中,一般采用有线方式传输采集到的数据,由导线带来的时间同步误差较小,在研制仪器的过程中可不必考虑非同步效应[1].随着工程勘探环境的日益复杂,无线数据采集技术以其可移动性、架设简单、组网灵活等优点在实际作业中表现出极大优势[2,3],但由此带来了无线传输的同步精度问题,提高时间同步精度成为物探装备研制的关键技术[4],而在相关性很强的数据采集系统中,高精度时间同步是许多应用的必需条件[1,2].

目前,工程地质勘探中的数据采集技术,面临着各通道之间的时间同步难题.基于此,本文提出采用专用射频芯片,实现工程地质勘探测量中弹性波信号的无线数据采集,并在微控制器(MCU)的指挥下配合时间同步协议,以提高数据采集的时间同步精度.

1 系统总体设计

系统设计包括数据采集与无线传输2个环节,其原理框图如图1所示.本文重点研究无线传输系统,从提高无线时间同步精度的目标出发,着重对其结构组成、时间同步误差来源、提高时间同步精度措施、硬件、软件设计等进行论述.

图1 系统采集、传输原理框图

图1中左半部分为无线采集卡,其功能是实现弹性波信号的数字量化并进行无线传输.它由检波器(38 Hz垂直检波器)拾取弹性波信号,由信号调理电路进行信号的变换,调理电路主要包括前置放大器和单转差分信号电路,以匹配ADC的输入特性.ADC接收来自信号调理电路输入的差分信号,在MCU的控制下进行模数转换;Vref电路为AD采样提供高精度稳定参考电压基准;无线模块实现采集卡与主机的双向通信,包括转换之后的数字信号发送和命令的接收.

图1中右半部分为主机接收站,MCU通过无线模块完成对各采集卡的控制并进行数据接收,采用FT245BM芯片实现与PC机的USB2.0实时传输[5],信号处理部分在上位机通过VC编程实现.

此外,根据工程地质勘探施工环境的不同,我们选用个数不等的无线采集卡,配合主机完成勘探任务.同时,整个系统从降噪、稳定参考电压等方法上保证了ADC的有效分辨率,系统采用专用无线模块nRF905[6]实现数据的无线传输,打破传统工程勘探有线传输的单一局面,为工程地质勘探施工带来极大便利.

2 无线时间同步协议

2.1 时间同步误差分析

数据采集系统的数据采集过程为:主机向各采集卡(从机)发送命令,各采集卡接收到命令之后进行指令解析,判断出是采集命令后启动采集程序,并记录当前采集时间,当接收到主机的数据回传命令时,对应采集卡将采集的数据打包、压缩,加上报头(自身ID号)一并发送.数据采集系统原理图如图2所示.

图2 系统工作原理图

分析数据采集过程可以发现产生时间不同步的2个环节:一是各采集卡接收主机指令时间不一致;二是各采集卡解析指令(采集和回传数据指令)时间不一致,此导致采集卡采集到的信息并不是一个时刻点的.造成第一个时延差的因素较多,如主机到各从机的物理距离不一致(这个条件在近距离无线传输中可以忽略),选用的无线模块通过不断切换频点来与各模块通信(切换产生主要时延差)等.而造成第二个时延差的主要环节在于无线模块本身解析指令存在时延差,其大小一般在μs级.

时间同步误差产生的后果是给后续数据处理和解释带来较大误差,严重的情况将导致错误的结论.

2.2 提高时间同步精度的措施

要解决时间同步问题,理论上必须做到2点:一是保证各采集模块接收到主机指令的时间差为零;二是保证各无线模块对主机指令的解析耗时一致.我们在系统的实际设计时,采取了如下的具体措施:

(1)针对第一个时延差(即采集卡接收主机指令时间不一致).此系统选用的nRF905模块具有独特的地址匹配监测AM(Address Match)功能[7],当接收到与自身地址号(也就是数据采集通道号)相同的信息时,产生一个硬件中断信号,通知MCU进行处理,其响应时间极短(提高单片机时钟频率后可忽略不计).另外,主机向各从机发送指令时,不必切换频点,只需更换报头(AM1、AM2…),以此来节省大量指令时间,达到控制时延差的目的.

(2)针对第二个时延差(无线模块本身解析指令时延差),系统设计了时间同步模式预调整进程,即每次采集之前启动时间同步模式进程,进行时间同步模式调整.具体做法为:在时间同步模式下,把所有从机设置成相同的地址(如AM),主机向所有的从机发送一个同步指令(同步地址AM加上一个空的数据包),从机(如从机1号)接收到这个地址的数据包,当检测地址(AM)匹配了以后,AM引脚产生电平跳变(由低变高),同时产生一个DR(Data Ready)信号,作为单片机的中断脉冲,在中断服务程序里面记录某个计数器的当前值 T1;发送第二次同步指令,同样记录同一个计数器的当前值 T2;连续同步多次(假定5次),得到 T3,T4,T5.取时间间隔差ΔT =(ΔT1+ΔT2+ΔT3+ΔT4)/4的平均值,取5次时间的中间值 T=(T1+T5)/2,做一个差值 TT=TΔT作为同步点,同理,其他各采集卡也会有一个同步点 TTx,即当接到主机的采集命令后,启动内部计数器,当计数时间达到 TTx时立即启动ADC采样.

3 系统硬件、软件设计

3.1 硬件电路

在系统的硬件电路设计上,无线模块采用Nordic半导体公司研发的核心射频芯片nRF905,其具有接口简单,可直接与单片机进行数据传输,工作在433/868/915 MHz频段,增加了多点同时数据传输的能力等功能[8].同时,其所采用的高抗干扰GFSK调制,内置完整的通信协议和CRC,使传输速率可达100 kbps,通信距离达500 m.另外,其工作在低电压范围(1.9～3.6 V),电流消耗低,在发射功率为10 dBm时,发射电流为11 mA,接收电流为12.5 mA,待机功耗2μA,有利于省电,延长工作时间.

在电路上,nRF905与MCU采用SPI总线接口连接,逻辑控制上采用MCU口线方式[7],其接口电路如图3所示.

3.2 软件设计

在系统的软件设计上,无线模块软件采用了ATmega32L内部集成的SPI控制器,设置其数据传输速率为MCU时钟的1/64,即128 kHz.采用AVR Studio IDE,C51语言编写了nRF905发送、接收两个功能函数.

图3 硬件接口电路图

由于nRF905采用VLSI Shock-Burst技术,在RX模式中,地址匹配AM和数据准备就绪DR信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成.在TX模式中,nRF905自动产生前导码和CRC校验码,DR信号通知MCU数据传输已经完成.这两种模式为节省指令时间、提高时间同步精度起到决定性作用.

3.2.1 Shock-Burst RX模式工作过程.

图4为接收模式流程图.在数据的无线接收中,通过采用外部中断触发机制(INT0),减小了MCU运行开销.

图4 无线接收流程图

3.2.2 Shock-Burst TX模式工作过程.

图5 无线发送流程图

4 工程应用及结论

4.1 工程应用

我们提出的时间同步协议已经被成功应用到所研制的弹性波测试仪中.在某工程地质调查课题野外施工中,我们对该测试仪传输距离和时间同步误差进行了测试.测试结果为:野外500 m无误码传输,实现了48道(道间距3 m,偏移距50 m)弹性波信号无线数据采集,时间同步误差控制在1μs以内.但在实际应用中,我们也发现本系统存在如下问题:随着施工环境复杂度的增加,传输距离受到限制且误码率有所增加,选用大功率无线模块时会使整机功耗增大.此外,采用该技术,通过对地质区域的实地测量,找出了地下52 m处的一个隐伏断层,该结果与高密度电法勘查的结果比较,位置信息一致,说明了时间同步精度满足了数据处理与解释的要求,所提出的无线时间同步协议能较好地满足实际工程地质勘探要求.

4.2 结 论

将无线数据采集技术应用到工程地质勘探上,突破了传统的有线传输方式.本系统布线简单,工作效率大大提高,时间缩短到有线方式的1/3.所提出的无线时间同步协议,解决了目前工程物探仪器时间误差大的问题.

[1]何樵登,熊维纲.应用地球物理教程——地震勘探[M].北京:地质出版社,1991:3-41.

[2]罗维炳.新一代无线局域网技术在地震数据采集系统中的应用[J].石油仪器,2004,18(1):9-15.

[3]严美善,袁 涛.低功耗无线室温监测系统的设计与实现[J].电子技术应用,2007,32(12):86-88.

[4]王建国,吕艳宗,王树杰,等.高精度无线同步技术及其在石油勘探中的应用[J].传感器技术,2005,24(8):74-76.

[5]时志云,杨 毓,王代华,等.基于nRF24L01和FT245BM的无线文件传输系统设计[J].电子技术应用,2007,32 (10):118-120.

[6]Nordic公司.单片无线收发器nRF905用户数据手册[G].挪威:Nordic半导体公司,2004.

[7]王洪辉,庹先国,穆克亮,等.基于FPG A+MCU的全数字式滑移脉冲信号发生器的研制[J].核技术,2007,30(10): 70-73.