分布式無線地震數(shù)據(jù)采集同步技術(shù)研究

榮文鉦,沈 統(tǒng),呂中云,江 山,郭 磊

(1.西南科技大學(xué) 核廢物與環(huán)境保護(hù)國防重點學(xué)科實驗室, 四川 綿陽 621010; 2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室, 成都 610059)

分布式無線地震數(shù)據(jù)采集同步技術(shù)研究

榮文鉦1,2,沈 統(tǒng)1,2,呂中云1,2,江 山1,2,郭 磊1,2

(1.西南科技大學(xué) 核廢物與環(huán)境保護(hù)國防重點學(xué)科實驗室, 四川 綿陽 621010; 2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室, 成都 610059)

針對目前分布式無線地震數(shù)據(jù)采集中由于采集節(jié)點增多、無線傳輸延時等因素導(dǎo)致的各采集節(jié)點間數(shù)據(jù)采集同步精度不高的問題，研究并設(shè)計了一種針對分布式無線數(shù)據(jù)同步采集中各個節(jié)點同步授時以及對采集數(shù)據(jù)包進(jìn)行精確時間標(biāo)記的方案;采用GPS(Global Positioning System)授時技術(shù)對各個采集節(jié)點時鐘進(jìn)行授時，同時利用GPS精準(zhǔn)的秒脈沖對本地壓控晶振器頻率誤差進(jìn)行實時修正;采用在地震采集數(shù)據(jù)包中加入精確的時間戳信息的方法，保證了各個節(jié)點間同步誤差限制在0.1 μs以內(nèi)；即使在GPS失效的情況下，壓控晶振器和計數(shù)器聯(lián)合作用仍可保證各節(jié)點同步采集穩(wěn)定工作6小時。

分布式地震數(shù)據(jù)采集;GPS時鐘授時;壓控晶振;采集同步;精確時間戳

0 引言

在分布式無線地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，各個采集節(jié)點通過無線的方式與采集中心主節(jié)點進(jìn)行通信，由主節(jié)點控制各個采集節(jié)點的數(shù)據(jù)采集與傳輸。為了保證采集中心與各個采集節(jié)點信息交互的實時性，系統(tǒng)中各個采集節(jié)點的時鐘需要保持高度同步[1-2]。分布式地震數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，各個采集節(jié)點位置較為分散，每個節(jié)點擁有自身的獨立實時時鐘。由于各個采集節(jié)點間由于自身實時時鐘晶體振蕩器的精度與穩(wěn)定度差異，各個節(jié)點間時鐘存在較大的偏差，此時就需要對各個節(jié)點的時鐘進(jìn)行同步，保證各個采集節(jié)點間通信及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性[3-6]。

在目前的分布式系統(tǒng)中，時間同步主要分為軟件時間同步及硬件時間同步兩種，軟件同步方式已經(jīng)有許多較為成熟的時間同步方法，例如網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP-Network Time Protocol)、簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(SNTP-Simple Network Time Protocol)、PTP時鐘同步協(xié)議(Precision Time Protocol)等。其中前兩種同步方式在因特網(wǎng)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，其同步精度可以達(dá)到毫秒級，最后的PTP時鐘同步協(xié)議主要利用各個節(jié)點通過發(fā)送報文的方式進(jìn)行時間延時測量與補償，在低負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中理論同步精度可以達(dá)到亞微秒級，但是存在信道不對稱、網(wǎng)絡(luò)組件及協(xié)議堆棧延遲、時鐘晶體振蕩器的漂移及穩(wěn)定性差異等都會影響其時鐘同步精度[5-8]。

隨著GPS授時技術(shù)的不斷發(fā)展，其接收機的成本不斷降低，GPS授時技術(shù)逐漸應(yīng)用到地震數(shù)據(jù)采集節(jié)點的授時中。其不同接收機之間的1 PPS脈沖信號同步性有效控制在30 ns以內(nèi)，因此利用其時間碼的輸出以及高精度的1 PPS信號對分布式無線地震數(shù)據(jù)采集中各個節(jié)點的本地時鐘進(jìn)行同步授時,使得各個節(jié)點之間的時間可以達(dá)到更好的同步精度，同時也省去了網(wǎng)絡(luò)軟件同步方式繁瑣的延時估算與補償[9-10]。

本文主要針對基于GPS授時技術(shù)在分布式無線地震數(shù)據(jù)采集中的節(jié)點時間同步方式展開研究，首先對分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作流程進(jìn)行簡要的介紹，然后介紹了GPS授時技術(shù)的原理以及對實現(xiàn)GPS授時的方式進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時針對提出了一種在地震數(shù)據(jù)采集過程中加入硬件時間戳的方式、以及本地時鐘的電壓控制晶體振蕩器不穩(wěn)定性進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，討論了在GPS信號丟失的情況下通過AD9548鎖相環(huán)芯片對GPS的1PPS信號在一定時間內(nèi)進(jìn)行保持，保證各個節(jié)點的時間同步精度。為分布式無線地震數(shù)據(jù)采集中節(jié)點間時間同步提供了一種有效的解決方式。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由采集中心和采集節(jié)點兩部分組成。采集中心主要功能為實現(xiàn)對各個節(jié)點命令及數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲。采集節(jié)點內(nèi)包含兩部分：三分量地震數(shù)據(jù)的高精度采集、地震數(shù)據(jù)的時間標(biāo)記。

圖1 地震數(shù)據(jù)采集基本結(jié)構(gòu)

采集中心與各采集節(jié)點采用無線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)及命令傳輸。數(shù)據(jù)采集各節(jié)點外加本地授時機用于數(shù)據(jù)采集過程中對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行時間標(biāo)記，這樣時傳回采集主機的數(shù)據(jù)具備時間信息，方便采集主機對各部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行同步處理。

3 本地授時機設(shè)計

3.1 GPS授時原理

全球定位系統(tǒng)(globe positioning system， GPS)是一種結(jié)合衛(wèi)星及通信發(fā)展技術(shù)，利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時和測距。

GPS由24可衛(wèi)星組成，其主要功能為向用戶發(fā)動偽距和載波信號，用戶經(jīng)過GPS接收機接收衛(wèi)星信號進(jìn)行進(jìn)一步處理提供導(dǎo)航定位服務(wù)。除此之外，由于具有高穩(wěn)定性的原子時鐘，也可為用戶提供授時服務(wù)。其載波頻率為L1(1575.42 MHz)和L2(1227.60 MHz)兩種頻率發(fā)射載波信號，可以通過設(shè)計不同的接收機對其信號進(jìn)行接收[12-14]。

3.2 GPS接收電路設(shè)計

GPS接收電路總體結(jié)構(gòu)如圖2所示：主要由天線單元、接收單元、電源三大部分組成。

圖2 GPS接收機基本結(jié)構(gòu)

3.2.1 天線單元

天線單元主要由接收天線、前置放大電路及頻換器組成。其主要作用是降GPS微弱的電磁波信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號，再經(jīng)過放大變頻后將穩(wěn)定的信號輸送給接收單元。

3.2.2 接收單元

接收單元主要由信號通道、存儲器、微處理器及電源等4部分組成。信號通道是接收機核心部分，主要負(fù)責(zé)對衛(wèi)星信號進(jìn)行解碼、解調(diào)等功能。存儲器主要功能為暫存接收機采集到的偽距、載波等信息數(shù)據(jù)。微處理器主要功能為協(xié)調(diào)整個接收機工作，主要有接收機自檢、衛(wèi)星搜索、計算位置及方位角信息、輸出GPS數(shù)據(jù)信息等功能。

GPS接收電路核心采用VK1612U8M3LF低功耗GPS接收模塊，該模塊具有靈敏度高、功能全面等特點。該模塊接收頻率為L1頻段(1 575.42 MHz)，時間輸出精度可達(dá)30 ns，具有良好的授時精度。接收電路如圖3所示，模塊外接3.3 V備用紐扣電池，保證了模塊在外部電源短時失效情況下能繼續(xù)保持穩(wěn)定的工作，同時接收芯片將固定格式的時間位置信息碼以串口通信的方式傳輸至主控芯片，TIMEPUSE引腳在接收信號有效時將輸出脈沖寬度為100 ms的高精度1 PPS脈沖信號。

圖3 GPS接收電路

3.3.3 GPS本地時鐘授時設(shè)計

如圖4所示，GPS本地授時主要由GPS接收機和主控MCU兩部分構(gòu)成。GPS接收機通過天線將GPS信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的1 PPS信號，同時將時間、位置等信息通過串行數(shù)據(jù)通信的方式與MCU進(jìn)行通信。MCU以中斷的方式對1 PPS信號及串口數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理，以固定周期的方式通過解析的時間信息對本地時鐘進(jìn)行授時。由于采用本地GPS對本地時鐘進(jìn)行授時的方式進(jìn)行授時，短時間的GPS信號丟失的情況下對本地RTC時鐘仍然可以保持良好的精度。

圖4 本地時鐘授時框圖

本地授時機MCU主控芯片選用ST(意法半導(dǎo)體)生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M4架構(gòu)的STM32F405高性能微控制器，該控制器最高處理速度可達(dá)168 MHz，同時兼?zhèn)浔镜豏TC實時時鐘功能。在本地授時機中的GPS接收機在接收信號穩(wěn)定之后，接收機根據(jù)NEMA 0183的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將時間、位置、速度等信息通過串口通信的方式傳輸至MCU主控芯片。GPS接收機輸出的GPRMC語句中包含了定位的日期、時間、以及經(jīng)緯度信息，數(shù)據(jù)格式為：GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*<13>，

其中<1>-UTC時間，hhmmss.ss(時分秒)格式，<2>-定位狀態(tài)：A=有效定位，B=無效定位，<3>-緯度ddmm.mmmmm(度分格式)，<4>-緯度半球：N(北半球)或S(南半球)，<5>-經(jīng)度dddmm.mmmmm(度分格式)，<6>-經(jīng)度半球：E(東經(jīng))，W(西經(jīng))，<7>-地面速率(000.0-999.9節(jié))，<8>-地面航向(000.0-359.9度)，<9>-UTC日期，ddmmyy(日月年)格式，<10>-磁偏角(000.0-180.0°)，<11>-磁偏角方向：E(東)，W(西)，<12>-模式指示，<13>-校驗和。

本地授時機的授時作流程如圖5所示，GPS接收機在接收到信號后將時間信息以串口通信的方式傳輸至MCU，MCU對時間數(shù)據(jù)采用中斷的方式接收，接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)入串口中斷，首先判斷是否需要更新時間(判斷是否到達(dá)更新周期)，在判定需要進(jìn)行時間更新時判斷接收數(shù)據(jù)頭是否為GPRMC，若為GPRMC則將對應(yīng)的數(shù)據(jù)包存入緩存進(jìn)一步處理，然后從緩存數(shù)據(jù)中提取出定位狀態(tài)判定數(shù)據(jù)是否有效，若有效將提取出時間信息對本地RTC時鐘進(jìn)行更新，若無效則退出本次中斷。

圖5 本地時鐘授時程序流程圖

4 無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點校時

在無線地震數(shù)據(jù)采集中，各個無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用32.768 K的晶體振蕩器進(jìn)行本地時間計數(shù)。隨著時間的推移，由于晶體振蕩器的差別會導(dǎo)致各個節(jié)點之間的時鐘存在累積誤差，這將造成各個節(jié)點的時間不同步、同步精度不高的問題。

因此，為了更好地解決各個節(jié)點的本地時鐘同步的問題，采用頻率可調(diào)的電壓控制晶體振蕩器對本地時鐘晶振頻率進(jìn)行實時測量與調(diào)節(jié)，將各個節(jié)點的本地時鐘控制在有限的誤差范圍內(nèi)。

如圖6所示，節(jié)點校時主要過程為通過GPS產(chǎn)生的高精度1PPS脈沖對本地時鐘晶振頻率進(jìn)行秒間計數(shù)，并根據(jù)計數(shù)結(jié)果對本地時鐘頻率進(jìn)行實時校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方式采用DAC電壓調(diào)節(jié)的方式對本地晶振進(jìn)行頻率調(diào)整。理想情況下，32.768 K的晶振在1 s間隔內(nèi)其計數(shù)值為32 768，通過秒間計數(shù)器計數(shù)值判斷將本地晶體振蕩器的頻率進(jìn)行調(diào)高或者調(diào)低。如果計數(shù)值小于32 768，則可認(rèn)為頻率過慢，適當(dāng)增加晶體振蕩器頻率，反之則增加晶體振蕩器頻率，采用動態(tài)頻率調(diào)節(jié)方法可有效的將本地晶振頻率控制在有限的誤差范圍內(nèi)。

圖6 本地校時過程

考慮到GPS信號不穩(wěn)可能導(dǎo)致的1 PPS信號失效的情況，采用了本地鎖相環(huán)技術(shù)，本地鎖相環(huán)在1 PPS信號的丟失情況下一定時間內(nèi)產(chǎn)生高精度的1 PPS信號，使本地時鐘校準(zhǔn)能繼續(xù)進(jìn)行，有效保證各個節(jié)點的時鐘同步精度。數(shù)字鎖相環(huán)芯片AD9548為GPS 1 PPS脈沖信號進(jìn)行同步，PLL能減少與外部基準(zhǔn)有關(guān)的輸入時間抖動或者相位噪聲，在工作環(huán)境穩(wěn)定的情況下可有效的工作至少6個小時以上。

5 地震數(shù)據(jù)硬件時間戳標(biāo)記

在分布式地震數(shù)據(jù)采集中如何給分布式地震數(shù)據(jù)打上精準(zhǔn)的時間標(biāo)記成為了分布式地震數(shù)據(jù)同步采集中研究的關(guān)鍵問題。

系統(tǒng)工作時，MCU首先對外部GPS接收信號進(jìn)行解析，在確認(rèn)GPS將本地時鐘同步完成之后，整個時鐘標(biāo)記系統(tǒng)開始運行。系統(tǒng)運行時，標(biāo)記時間由GPS接收機以1秒的標(biāo)準(zhǔn)間隔輸出秒級的時間信息，為了得到更加精確的微秒級信息，在每次1 PPS脈沖信號到來時觸發(fā)MCU內(nèi)部32位計數(shù)器對外部壓控晶振輸出的10 MHz脈沖信號下降沿進(jìn)行計數(shù)，每個脈沖換算成時間單位即為0.1 μs，在外部設(shè)備需要進(jìn)行時間標(biāo)記時將發(fā)出觸發(fā)信號，此時時間標(biāo)記系統(tǒng)立即鎖定計數(shù)器數(shù)值N及GPS輸出的秒級時間信息。

圖7 時間標(biāo)記系統(tǒng)圖

6 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)對兩個節(jié)點的1 PPS信號以及處理器中斷處理延時進(jìn)行了實際測試，具體結(jié)果如圖8、圖9所示。

兩個GPS接收機在接收信號良好的情況下，對兩個產(chǎn)生的1 PPS脈沖進(jìn)行測量，通過測量結(jié)果可以看出，兩個GPS接收機之間產(chǎn)生的1 PPS信號存在30 ns左右的時間延遲。

同時對處理器引腳的響應(yīng)時間進(jìn)行了測試，在上升沿觸發(fā)中斷的情況下，其響應(yīng)時間在0.13 μs左右，這個時間相對比較固定，可以在后面的軟件處理中進(jìn)行補償。

如表1所示，采用8組采集節(jié)點輸入同一個脈沖信號，在輸入時對此時刻的鎖存住此時計數(shù)器值，并輸出GPS秒事件信息，通過秒時間信息與計數(shù)器值進(jìn)行組合得到最終的時間結(jié)果，其測試結(jié)果如下表所示，測試結(jié)果表明各個節(jié)點在同一時

圖8 處理器中斷響應(yīng)延時圖9 GPS接收機1PPS延時

刻輸入信號的情況下，由于存在相互之間的時間平均誤差水平在0.1μs以內(nèi)。

表1 多節(jié)點時鐘時鐘測試

7 結(jié)束語

綜上所述，采用GPS授時技術(shù)在地震數(shù)據(jù)采集同步中具有較高的精度，相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)授時方法使各個節(jié)點的同步精度提高了一個數(shù)量級。通過這樣的采集同步方式，可降低在分布式多道、高分辨率地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)膲毫?，為分布式無線地震數(shù)據(jù)采集中節(jié)點增多及數(shù)據(jù)無線傳輸延時導(dǎo)致的同步精度不高的問題提供了一種有效的解決方案。

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Study of Synchronization Technology of Distributed Wireless Seismic Data Acquisition

Rong Wenzheng1,2, Shen Tong1,2, Lv Zhongyun1,2, Jiang Shan1,2, Guo Lei1,2

(1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology,Chengdu 610059, China; 2.Fundamental Science on Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory,Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

Low synchronization precision of data acquisition is an annoying problem in distributed wireless seismic data acquisition due to the increasing of the acquisition nodes and wireless transmission delay. In order to solve this problem, what is put forward is that a scheme of synchronized timing to each node for the synchronous acquisition of the distributed wireless data and accurate time tagging on data packets. In this scheme, GPS (Global Positioning System) timing technology is utilized to issue the real time to the clock on each node for data acquisition, and GPS precise second pulse is also used to correct frequency error of local voltage controlled crystal oscillator so as to suppress the cumulative errors caused by non-synchronization between the nodes. By adding the time stamp information accurately in the seismic data acquisition, ensure that each node between the time synchronization error is limited within 0.1 μs. Even if the GPS signal loss, voltage controlled crystal oscillator and a counter joint action can ensure each node synchronous acquisition stable work 6 hours.

distributed seismic data acquisition;GPS clock timing; voltage controlled constant temperature crystal oscillator;synchronization acquisition; precise time stamp

2016-08-24；

2016-10-13。

獲得國家自然科學(xué)基金重大科研儀器設(shè)備研制專項(41227802)；四川省科技支撐計劃(2014JY0221)。

榮文鉦(1991-)，男，在讀碩士研究生，主要從事地球物理勘探儀器設(shè)備的開發(fā)。

1671-4598(2017)02-0134-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.037

TP18

A