多通道数据采集终端及分布式数据采集同步系统的制作方法

1.本实用新型属于数据同步采集技术领域，尤其涉及一种多通道数据采集终端及分布式数据采集同步系统。


背景技术：

2.随着经济的快速发展，多通道同步采集系统在工业、交通等领域中的应用也变得越来越重要。应用于一些特定场合诸如瞬态信号检测、图像处理、工业过程控制等的同步采集系统对于采集速度、精度和时间同步准确性提出了很高的要求，其时间同步误差需尽可能小以减小测量结果的误差。
3.目前针对同步采集系统的时间同步方法多采用主从同步法，即各数据采集模块之间以及数据采集模块与数据采集控制器之间使用以太网或无线网络连接，用基准时钟向各网络节点发送同步时钟信号以实现各数据采集模块之间的时间同步。当采集点间距较远时，网络时统易受传输环境、传输路径影响，系统结构复杂，可靠性降低，同步误差增大，这使得各模块之间的距离较近且对网络稳定性要求较高。
4.另外，基于gps的同步方案需要时间服务器或终端设备具备守时功能，以便在卫星失锁的情况下保持长时间、高精度的时间同步。现有守时功能实现方式包括温补晶振，恒温晶振等，其守时精度亦各有优劣，且现有数据传输多通过以太网或无线网络实现，其可靠性亦受网络环境制约，不能满足一些特定场合的数据采集。


技术实现要素：

5.本实用新型针对上述技术问题，提出一种多通道数据采集终端及分布式数据采集同步系统，该系统基于gps/北斗与铷钟结合实现时间同步，能提供超高精度的时间和频率基准源，极大地减少系统对通讯环境的依赖程度，保证多个数据采集终端的时间误差在一定范围内，大大提高了时间同步的准确性。
6.为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
7.一种多通道数据采集终端，包括：
8.时钟同步单元，包括铷钟模块，接收并根据gps/北斗信号进行驯服处理获得时钟和频率基准信号；
9.设备主机，电性连接于所述时钟同步单元，所述设备主机接收并根据所述时钟和频率基准信号与其余多通道数据采集终端的设备主机间进行时间同步；
10.数据采集单元，电性连接于所述设备主机，所述数据采集单元将采集到的数据信号输出至所述设备主机；
11.所述设备主机包括：
12.信号采集模块，电性连接于所述数据采集单元；
13.主控制器模块，电性连接于所述信号采集模块；
14.主机存储模块，电性连接于所述信号采集模块和所述主控制器模块；
15.通讯接口模块，电性连接于所述主控制器模块。
16.作为优选地，还包括外部存储单元，所述外部存储单元与所述通讯接口模块连接。
17.作为优选地，所述外部存储单元为存储磁盘阵列。
18.作为优选地，还包括数据传输单元，所述数据传输单元与所述外部存储单元连接。
19.作为优选地，所述时钟同步单元还包括：
20.gps/北斗接收机模块，其与gps/北斗天线连接；
21.主控模块，其分别与所述gps/北斗接收机模块和所述铷钟模块连接；所述铷钟模块具有10mhz输出口、分频1pps信号输出口以及稳定1pps信号输出口；
22.时差测量模块，分别与所述gps/北斗接收机模块、所述主控模块以及所述铷钟模块的所述分频1pps信号输出口连接。
23.作为优选地，所述时钟同步单元进一步包括数模转换模块，所述数模转换模块电性连接于所述主控模块与所述铷钟模块之间。
24.作为优选地，所述铷钟模块包括铷原子钟、晶振、锁相环、第一分频器件及第二分频器件，所述第一分频器件与所述铷原子钟连接，所述分频1pps信号输出口与所述第一分频器件连接；所述第二分频器件与所述晶振连接，所述稳定1pps信号输出口与所述第二分频器件连接。
25.作为优选地，所述主控模块包括mcu处理器和fpga处理器，所述mcu处理器与所述gps/北斗接收机模块连接，所述fpga处理器与所述铷钟模块和所述时差测量模块连接。
26.本实用新型还提供一种分布式数据采集同步系统，包括：
27.上述任一项所述的多通道数据采集终端；
28.主站，其通过通讯单元与各所述多通道数据采集终端通信。
29.作为优选地，所述通讯单元与每一所述多通道数据采集终端的通讯接口模块连接。
30.与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：
31.本实用新型提供的分布式数据采集同步系统，包括多个多通道数据采集终端，各多通道数据采集终端可远距离分散放置，无需实时有线及无线通信即可时间同步，极大地减少了系统对通讯环境的依赖程度，且各个多通道数据采集终端能够实现高精度的时间同步，与长时间的数据存储或传输，系统稳定性好。
附图说明
32.图1为本实用新型实施例多通道数据采集终端结构示意图；
33.图2为本实用新型实施例时钟同步单元内部电路图；
34.图3为本实用新型实施例分布式数据采集同步系统结构示意图；
35.以上各图中：1、多通道数据采集终端；2、时钟同步单元；21、铷钟模块；211、铷原子钟；212、晶振；213、锁相环；214、第一分频器件；215、第二分频器件；22、gps/北斗接收机模块；23、主控模块；231、mcu处理器；234、fpga处理器；24、时差测量模块；25、数模转换模块；26、计数器；27、指示灯；3、设备主机；31、信号采集模块；32、主控制器模块；33、主机存储模块；34、通讯接口模块；4、数据采集单元；5、外部存储单元；6、数据传输单元；7、主站；71、监控主机；71、服务器。
具体实施方式
36.下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
37.为了更好地理解上述技术方案，下面结合附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
38.参考图1，在本实用新型多通道数据采集终端的一个示意性实施例中，该数据采集终端包括：
39.时钟同步单元2，包括铷钟模块21，对接收的gps/北斗信号进行驯服处理获得时钟和频率基准信号；
40.设备主机3，电性连接于时钟同步单元2，设备主机3接收并根据所述时钟和频率基准信号与其余多通道数据采集终端的设备主机3间进行时间同步；
41.数据采集单元4，电性连接于设备主机3，数据采集单元4将采集到的数据信号输出至设备主机3；
42.设备主机3包括：
43.信号采集模块31，电性连接于数据采集单元4；
44.主控制器模块32，电性连接于信号采集模块31；
45.主机存储模块33，电性连接于信号采集模块31和主控制器模块32；
46.通讯接口模块34，电性连接于主控制器模块32；
47.具体的，数据采集单元4将采集到的数据信号输出至设备主机3；设备主机3的信号采集模块31接收数据采集单元4输出的数据信号，主机存储模块33，电性连接于信号采集模块31，将信号采集模块31接受的数据信号进行存储；主控制器模块32分别与信号采集模块31、主机存储模块33、通讯接口模块34电性连接，用于控制信号采集模块31、主机存储模块33完成数据信号的接收、存储以及逻辑控制功能，同时控制通讯接口模块34实现设备主机3与外部设备的通信。本实施例中，数据采集单元4优选为传感器或探头；信号采集模块31实现数据采集单元4输出的数据信号的采集功能，信号采集模块31优选地为多通道高精度的信号采集模块；示例性的，本实施例中，信号采集模块31的模拟量信号采集范围为电压
±
10v，24通道同步采集，16位采集精度。主控制器模块32采用常用的主流工业控制芯片作为控制器主控芯片，确保高速采集和计算的稳定性；为保证通讯接口模块34的通用性，所述通讯接口模块34设有多种接口类型，包括但不限于以太网接口、串口等。
48.上述实施例中，多通道数据采集终端通过接收的gps/北斗信号，对时钟同步单元2的铷钟模块21进行驯服处理获得时钟和频率基准信号，以实现与其他采集终端间的高精度的时间同步，且利用铷原子钟211与gps/北斗结合的方式减少了对以太网和无线网络依赖程度，避免了网络延迟造成的同步误差，大大提高了时间同步的准确性。
49.进一步的，多通道数据采集终端还包括外部存储单元5，外部存储单元5与通讯接口模块34连接。具体的，当设备主机3内需存储的数据多于主机存储模块33的存储容量时，外部存储单元5进行数据存储，此时主机存储模块33用于数据的缓存。本实施例中，外部存储单元5通过以太网与通讯接口模块34连接，且外部存储单元5优选为存储磁盘阵列，存储
介质可根据实际需求进行容量配置，储存介质可靠固定且方便更换。
50.继续参考图1，多通道数据采集终端进一步还包括数据传输单元6，数据传输单元6与外部存储单元5连接，用于数据传输。本实施例中，数据传输单元6与采集终端外的服务器连接，可用于对存储的数据进行在线下载、分析。当数据连续存储较长时间时，可通过数据传输单元6与外部存储单元5实现数据传输、存储同步进行。本实施中，对于存储数据的下载可通过更换外部存储单元5以及利用数据传输单元6进行在线下载两种方式，数据传输单元6通过以太网与外部存储单元5连接，示例性的，数据传输单元6优选为4g模块。
51.具体的，上述实施例中，时钟同步单元2通过驯服铷钟实现各采集终端的高精度时间同步，利用gps/北斗锁定各采集终端的铷原子钟211，铷原子钟211锁定晶振212，从而将gps/北斗的长期时间稳定特性与铷原子钟211的中期时间稳定特性、晶振212的短期时间稳定特性结合，实现长期的时间同步。铷钟驯服的原理如下：
52.1pps标准时间信号是gps/北斗接收模快接收卫星信号，解调信号后送到基带处理，解算出1pps信号，用1pps驯服铷钟的频率输出。
53.驯服就是mcu数字控制的锁相环。铷钟的10mhz分频为1pps和参考1pps比时差，采用kalman滤波算法对时差数据进行滤波处理，消除gps/北斗的1pps信号中的相位抖动影响，然后用pid控制原理计算出频率校正量对应的压控电压值，输出压控电压，使时差保持稳定。
54.1pps标准时间信号数据量累积越多，就可以更好地平滑噪声，测量精度就越高，并通过精密控频和移相电路，使被锁频标越来越接近1pps的参考频标，从而实现精密驯服。
55.驯服铷钟输出的10mhz信号经过10000000次分频得到1pps信号，相当于对gps/北斗1pps信号的长期统计平均，从而能够克服gps秒脉冲短时间随机跳变带来的影响，能够提供更可靠、精确的时间参考信号。当gps/北斗出现异常或不可用时，能够根据内置铷钟继续提供高可靠性的1pps信号和频率基准输出。
56.具体的，参考图2，上述实施例中，时钟同步单元2还包括：
57.gps/北斗接收机模块22，其与gps/北斗天线连接，用于接收gps/北斗信号，解析gps/北斗信号时间信息以及输出参考1pps信号；
58.主控模块23，其分别与gps/北斗接收机模块22和铷钟模块21连接，用于接收gps/北斗接收机模块22输出的参考1pps信号，并向铷钟模块21发送参考1pps信号以驯服铷钟，产生时钟和频率基准信号，且铷钟模块21具有10mhz输出口、分频1pps信号输出口以及稳定1pps信号输出口。
59.时差测量模块24，分别与gps/北斗接收机模块22、主控模块23以及铷钟模块21的分频1pps信号输出口连接。时差测量模块24接收gps/北斗接收机模块22输出的参考1pps信号，同时接收分频1pps信号输出口输出的分频1pps信号，时差测量模块24测量参考1pps信号和分频1pps信号之间的时间差，并将时间差数据传输至主控模块23；主控模块23对时间差数据进行滤波处理后，计算出频率校正量对应的相位差，并将其输出。
60.数模转换模块25，数模转换模块25电性连接于主控模块23与铷钟模块21之间；数模转换模块25接收相位差并将其转换成模拟电压值，再将模拟电压值施加到铷钟模块21实现对所述铷钟模块21频率的精确调控。
61.进一步的，继续参考图2，上述实施例中，铷钟模块21包括铷原子钟211、晶振212、
锁相环213、第一分频器件214及第二分频器件215；第一分频器件214与铷原子钟211连接，分频1pps信号输出口与第一分频器件214连接；第二分频器件215与晶振212连接，稳定1pps信号输出口与第二分频器件215连接。优选地，铷原子钟211选用高性能铷原子振荡器产品，其准确度高，尺寸小，体积轻，预热时间短；gps/北斗天线为零相位中心天线，提供高灵敏度的rf信号，抗多路径效应效果明显。
62.具体的，铷钟模块21的铷原子钟211接收模拟电压值后进行相位校准并输出至晶振212，晶振212输出10mhz信号到锁相环213，锁相环213接收10mhz信号后进行锁相控制，将晶振212锁定在铷原子钟211上，实现10mhz锁相控制，晶振212将锁相后的高精度、稳定的10mhz信号由10mhz输出口输出。同时晶振212锁相后的高精度10mhz信号经第二分频器件215的稳定1pps信号输出口输出稳定的1pps信号，所述稳定的1pps信号相当于对gps/北斗的1pps信号的长期统计平均，从而能够克服gps秒脉冲短时间随机跳变带来的影响，能够提供更可靠、精确的时间参考信号。当gps/北斗出现异常或不可用时，能够根据内置铷原子钟211继续提供高可靠性的时钟和频率基准输出。
63.继续参考图2，作为优选地，上述实施例中，主控模块23包括mcu处理器231和fpga处理器234，mcu处理器231与gps/北斗接收机模块22连接，fpga处理器234与铷钟模块21和时差测量模块24连接。
64.进一步的，上述实施例中，时钟同步单元2还包括计数器26和指示灯27，计数器26连接在时差测量模块24与fpga处理器234之间，fpga处理器234通过计数原理计算频率校正量；指示灯27与mcu处理器231连接，用于显示gps/北斗信号是否正常。
65.参考图3，本实用新型还提供一种分布式数据采集同步系统，包括：
66.多个上述实施例所述的多通道数据采集终端1；
67.主站7，其通过通讯单元与各多通道数据采集终端1通信。
68.通讯单元与每一所述多通道数据采集终端1的通讯接口模块34连接。
69.示例性的，上述实施例中，主站7优选地包括监控主机71和服务器72，各采集终端将采集的数据信号上传至服务器72进行存储，监控主机71用于下载、分析服务器72内接受的数据信号；优选地，通讯单元为4g模块，主站7与各个多通道数据采集终端1之间通过4g进行通信。
70.本实用新型提供的分布式数据采集同步系统，包含多个相互独立并能远距离分散布置的多通道数据采集终端，采集终端间的距离不受网络线缆长度限制；各采集终端间时间同步精度高，对以太网和无线网络依赖程度低，避免了网络延迟造成的同步误差，且系统结构简单，可靠性高，同步误差小。
71.本实用新型分布式数据采集同步系统尤其适用于城市轨道交通系统。城市轨道交通系统具有数量众多的变电所，其分布距离远，且同时具有供电和馈电设备；具有用电车辆移动运行、变电所和车辆可能处于地下等恶劣的数据采集条件。将该分布式数据采集同步系统应用在城市轨道交通系统中，将各个采集终端分布式放置在变电所和列车中，采集终端之间无需实时通信，就能实现高精度的时间同步，能够支撑功率变化频繁、暂态情况复杂的供电用电能源数据分析、故障同步数据采集等场景需求。
72.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同
变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。