基于LXI总线的数据采集系统数据同步方法研究

王晶,罗丹

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲，412002）

基于LXI总线的数据采集系统数据同步方法研究

王晶,罗丹

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲，412002）

对于大型的航空发动机数据采集系统而言，需要采集的信号众多。其不仅仅是不同设备信号的简单叠加，还要求不同设备信号间具有更高精度数据同步能力。LXI总线是新一代的仪器总线，其基于开放的工业网络标准，具有分布式的架构、高速的数据传输、高精度的系统同步等优势。某型航空发动机数据采集系统基于LXI总线设备进行设计和组建，充分利用了LXI总线的优点，有效解决了大型数据采集系统数据同步的问题，提高了系统的精度和测试效率。

同步触发;时钟同步;LXI;数据采集

0 引言

航空发动机试验的测试设备众多，信号来源广泛，其信号分别来自各个子系统。目前我所正在自主研制开发的航空发动机稳态采集系统基于局域网架构，以LXI总线设备为基础，同时将VXI总线测试设备、PSI压力测试设备、和其他子系统设备进行系统集成，在数据采集软件的统一管理下，满足发动机试验状态监控、性能与安全监测、数据自动化采集、存储和分析处理等功能需求。

随着测试参数数据越来越大，几百上千甚至几千通道的大型测试系统趋于平常。大型测试系统并不仅仅是通道的简单叠加，还要求测试设备间具有更高精度协同能力，由此而带来采集数据同步等多方面的技术难点。如何使数据采集系统的所有数据都能够保持同步，是大型数据采集系统的关键技术之一。

1 采集系统数据同步的关键技术

数据采集系统的数据同步包含三个要点：

多个通道数据采集的起始时间一致，即同步触发。

数据间的时间间隔一致，即采样时钟同步。

如果不能保证采集过程的同步，则需要在事后数据处理时将数据对齐。

对于大型的测试系统而言，需要测试的信号更多、关联性更强。同步触发，即基于异步事件启动仪器动作(如测量等) 的功能。时钟同步,即基于一个共同的时间标准对多个动作(如测量序列、信号激励序列等)进行操作的功能。同步触发和时钟同步是系统实现复杂测试的必要条件，分别实现了数据采集系统中两个不同层次的同步功能，是保证采集数据同时间关联性和结果有效性的基础。通过同步触发和时钟同步，数据采集系统内的各设备经过同一时间基准的对时，能够按照时间序列依次完成触发动作，实现设备功能。

在构建数据采集系统系统时，由于各种测试设备接口形式的不同、同步触发机制不同、内部时钟同步精度不同。因此仪器间的触发和时钟同步的方法设计，以及整个系统所能达到的总体精度，都必须综合考虑各种设备的自身特点。

2 LXI总线设备的同步特点

2.1 LXI仪器的同步特点

对于VXI设备来说，其同步测试方法是通过VXI仪器的背板总线触发实现同步测试。但这种方法仅对同一机箱内的模块之间有效，对于不同机箱之间就难以实现同步，因此在工程实践中的局限性很大。而LXI设备引入了精密时间同步协议( PTP)，同步机制基于以太网和IEEE1588，其提供了灵活的触发方式并具有很高的触发精度。利用LXI 的同步触发和时钟同步功能，系统集成者能够控制模块和系统内的状态序列,控制本地或系统事件发生和处理的时间,并基于时标对测量数据或重要事件进行排序或关联。

2.2 LXI仪器的同步触发机制

要保证数据的同步，首先要保证由同一个外部触发信号来触发所有设备进行采集，即保证一个子系统中所有设备都是同一个时刻开始采集的。LXI仪器提供的同步触发机制包括三种：基于LAN的同步触发、IEEE 1588时钟同步触发和触发总线三种机制。

⑴基于LAN的同步触发实际上是通过网络传送含有触发信息的消息包。被触发设备通过对消息包解析，来判断是否进行触发。被触发的设备在接到这个信号后，进行预先定义好的动作。除此之外，基于LAN的触发还能传送用于系统同步时钟的时间戳信息，该触发方式的同步精度可达到1ms。

⑵IEEE 1588时钟同步触发是通过运行时钟同步协议（PTP），决定出最佳主时钟，所有仪器的时钟与作为主时钟的仪器的时间保持一致。在时间保持一致的基础上，各仪器按照时间序列依次触发，完成整个系统的测试功能。该触发方式的同步精度能够达到微秒级。

⑶A类LXI设备特有的硬件触发总线机制（Trigger Bus）。A类LXI 仪器的触发总线采用M2LVDS (多点低压差分信号装置)线缆，通过一个含有8个可独立分配通道的25针连接器连接相距很近的多台设备，其作用类似于VXI/ PXI 的背板触发。该触发总线能以标准的方式提供触发信号，信号在设备间具有非常低的响应时间，其同步精度可达5ns／m。

以上三种同步触发机制的同步精度是依次递增的。基于LAN的同步机制由于受到网络传输延时的影响同步误差达到毫秒极，IEEE1588网络时钟同步精度小于100ns／m，而触发总线的同步精度是5ns／m。此外，LXI 采用统一的触发模型，设备可将硬件触发信号和LAN 触发事件同样对待，简化了编程和系统集成的工作量。

2.3 LXI总线的时钟同步机制

时钟同步是保证数据同步的另一个基础功能。在保证各个设备被同一触发信号同时触发的基础之上，数据同步另一个要求就是保证每个子系统内数据的同步。LXI总线定义了两种同步方式，B类产品满足IEEE1588标准，通过PTP时钟同步实现全系统μs级别同步，同时可对数据打上时间戳。而A类产品除了满足PTP时钟同步协议外，还定义了快速硬件触发总线LXI Trigger Bus，通过LXI硬件触发线的连接可实现全系统ns级别的同步精度。

LXI系统的同步机制有以下使用特点。

⑴对于稳态数据采集，只需要将LXI设备配置在同一个局域网内，PTP精密时钟协议会自动运行同步时钟。

⑵如果采样率较高，或对同步的精度要求更高，可用LXI Trigger Bus将系统内的LXI设备连起来。其联接的形式有两种，一种是菊花链形式，即在两个端点连上触发终端；另一种是星型连接。每个链内最多不超过20台设备，并且每个链最长不能超过20m。如果还需要触发更多的设备，可通过LXI触发扩展器EX2108来扩展。

2.4 采集后数据对齐

测量精度取决于测试系统中每一台设备的精确同步，各个系统具有高度的独立性，互不干扰，如果不能保证所有设备采集的同步触发和在采集过程的时钟同步，则需要在事后数据处理时将数据对齐，在分析数据时要做到多套数据的对齐分析。由于各个系统的采样速率不完全相同，给数据分析也带来了一定得困难，为此需要专门设计了一个数据对齐模块，将所有数据进行事后对齐。

3 应用案例

下面是某型航空发动机数据采集系统的数据同步方法的案例。此数据采集系统主要是基于LXI设备组建，要采集的数据来自于LXI总线的EX1000A系列，VXI设备（通过EX2500A来转换为LXI总线），还有 PSI9116系列压力模块，发动机的控制器，测功器等设备等。其系统结构图如下图1所示。

图1 测试系统结构图

3.1 同步触发实现方式

如下图2所示，本数据采集系统同步信号的源头是VXI机箱的E1413C，其信号通过数据总线传输到VXI零槽控制器EX2500A，通过EX2500A进一步传递信号到其他VXI设备和LXI设备，以保证VXI和LXI设备之间的硬件采集同步。保证LXI设备内的数据同步是所有数据同步的基础。

LXI设备的EX1000A系列和VXI的零槽控制器EX2500A均支持LXI Trigger bus，故LXI 部分和VXI部分通过LXI Trigger Bus实现同步触发。其它系统同步触发信号的输入/输出通过EX2500的Trigger In/Out接口来实现。这样使得系统中各个子系统实现同步触发。

设备同步过程如下：VXI机箱内设备采用背板触发总线进行触发，VXI机箱中的EX2500A设备可以输出一个LXI Trigger Bus总线信号，用于同步触发EX1000A设备，同时EX2500A可以输出一个TTL信号，用于同步触发PSI设备，因为有多个PSI机箱，则在其间增加一个TTL信号触发分支器，把一个触发信号分到多个PSI机箱中。开始采集时，由采集软件发送一个触发指令给EX2500A设备，其后执行以上触发流程。

3.2 时钟同步的实现方式

⑴如上图2所示，LXI设备之间会自动运行PTP精密时钟协议或者通过Trigger Bus总线以保证时钟同步。LXI设备和VXI 设备的LXI控制器（EX2500A）本身支持PTP 协议。只需要将LXI设备配置在同一个局域网内，PTP精密时钟协议会自动运行同步时钟。

⑵对于其它总线设备，按照以下方法进行同步处理：

如果可以接受外部触发信号，就接入同一触发信号以保证同时触发。在同时触发的条件下，如果设备没有和LXI设备保持时钟实时同步的机制，可以按照设置的采集频率使用设备内部时钟进行顺序采样。如PSI系统，在保证触发时间一致基础上，基于其内部时钟频率进行数据采样，之后当采集程序接收到PSI设备返回的数据时再打上时间戳，以便进行事后对齐。

如果同时触发和时钟同步都不能保证，就只能依据数据的时间戳进行事后对齐。时间戳的来源有两种，一是在采集过程中打上时间戳，如LXI设备。另外一种采集设备本身没有给采集数据打上时间戳的功能，只能在采集程序接收到数据时人为打上时间戳。如测功器设备和发动机机控制器等，由于采集系统无法对其进行控制，只能在接收到数据时再打上时间戳，再进行事后对齐。这种方法的数据同步精度较低。

各个设备本身内部的时间同步精度较高，但全部数据同步的精度取决于事后数据对齐时的精度损失。

3.3 采集数据的事后对齐

图3描述了数据从采集端发送到数据合成端的过程。由于采用了外部触发，各个采集设备开始采集的时刻是一致的，在不出现异常情况下，设备内部会按照设置好的采集频率返回数据包。然后发送给数据对齐模块，对齐时遵循这样一个规则，每个采集设备都按照把采集到每包数据顺序整理，然后再把所有设备数据按照时间点进行对齐。

由于各子系统的数据采集频率不完全一致，这就给数据事后同步带来的困难。解决的方法有两种，一种是采集较快的模块等待采集较慢的模块。另一种是对较慢的模块数据进行复制处理，以和较快的模块数据进行对应。数据合成模块会把所有设备数据依据设定的原则，把数据合成一个个时间包，如上图3所示。

数据的同步精度取决于采集系统中每一台设备的精确同步。整个系统中以LXI设备的采样率最为精确，而且LXI设备的每遍数据都有时标，并且数据的时标是在AD转换时由采集设备标记上的，数据的时标非常接近数据产生时的时间，此时标是非常精确的，因此整个系统数据的时标以LXI设备数据时标为基准。通过在计算出与LXI设备的时间差，其他设备在数据在进行时间修正后与LXI设备采集数据的时标来对齐。同步方法如下：

⑴找出数据对齐的标准时标Ti与接收时标ti的关系

整个系统我们可以选定LXI设备数据时标作为基准时间，其它系统的时间以基准时间为对齐标准。其他没有自带时间戳功能

图2 同步触发和时钟同步信号流程图

图3 采集数据的同步逻辑图

的设备数据只能使用程序的接收时间ti来间接计算出被设备采集的时间Ti，Ti也即是数据对齐时的标准时标。

同一时刻产生的触发信号进入不同设备之后，再到程序采集到每个设备的一包数据，之间有一个稳定的时间间隔Δt，因此只要计算出每个设备的时间间隔Δti，在数据对齐时就可以根据ti计算出Ti，即 Ti=ti-Δti。

⑵算出每个采集设备同基时标T0的时间差Δti

当程序在采集到某一包LXI设备的数据时，设此包含的时间戳为T0，也即是此次采集的基准时间，然后我们再记录下LXI设备数据被计算机接收到的时间t0，LXI设备数据从被采集到被程序接收到的时间差为Δt0=(t0-T0)。通过验证，可以认为在同一信号触发下，所有设备开始采集信号时间是基本相同的，即Ti=To，不同设备数据接收的时间差异主要因为数据采集之后的处理、打包、发送等过程。

有如下等式成立。Ti=ti-Δti= t0-Δt0= T0

则有Δti= ti- T0

由于每个设备的从采集到数据被程序接收的间隔时间是稳定的，即Δti会保持不变，因此以后接收到的每遍数据都可以由Δti和数据的每次接收时间来计算出采集时标，即用于和LXI设备的数据采集时标进行对齐。

⑶精度损失问题

这种对齐方法会引入计算机本身的时间误差，但是由于LXI设备本身采集数据时间标志非常准确，并且LXI设备之间的时钟同步的精度也很高，所以可以保证LXI设备数据的对齐精度。对于其他没有时间戳功能的设备数据的同步精度，则由计算机本身的时钟精度所决定，最高能达到毫秒级。

4 结论

LXI总线基于开放的工业网络标准，具有分布式的架构、灵活的配置形式、高速的数据传输、高精度的系统同步等优势，有效解决了大型测试系统中多设备的快速部署和数据同步问题，提高了系统的精度和测试效率。但要使用过程中仍需要仔细考虑其使用的方法，以满足各种不同的需要。下面是设计采集系统数据同步方法需要注意的关键问题。

⑴整个测试系统中，数据同步是一个非常重要的功能，而保证数据同步的基础是首先保证每个测试子系统的同步触发，而保证子系统数据同步触发的较好方案是采用同一个外部触发信号来触发所有采集设备进行采集，以此保证一个子系统中所有设备采集时间的统一。一般来讲，每个设备的内部时钟是非常精确的，可以保证在设定采样率情况下的采样点数，因此在经过相同的时间，每个设备的采样点数基本一样，各个设备的采样点数据对齐可以按照采样点序号进行。

⑵在保证单一子系统内部数据同步的前提下，数据同步的核心问题是多子系统间的数据同步。因为子系统是独立运行，可以分别启动和停止，并且有些子系统设备无法采用外部触发信号来进行同步采集。因此，我们可以采用事后按照时间标识的对齐方式来保证采集数据的同步。这就要求每遍数据都具有一个与之对应的时间戳，所有数据都会按照此时间戳进行对齐。

⑶采集系统的数据同步的处理方法需要综合考虑各种因素。比如当数据的实时性要求比较高时，则其子系统在数据同步同时还要保证一定的采集速率；这就要求采集速率较慢的设备数据要尽量跟上较快的数据，在选用数据的合成方法时可以对慢速数据进行多次复制以对应快速数据。同理，当需要保证较高的数据同步精度时，我们可以通过让采集块的系统适当等待采集慢的系统来达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