一种船舶精确时间同步数据采集监测方法

Method of Ship Data Acquisition and Monitoring

Based on Precise Time Synchronization

王彦东　王黎明　邵　英　左　文

(海军工程大学电气工程学院，湖北 武汉　430033)

一种船舶精确时间同步数据采集监测方法

Method of Ship Data Acquisition and Monitoring

Based on Precise Time Synchronization

王彦东王黎明邵英左文

(海军工程大学电气工程学院，湖北 武汉430033)

摘要：为了提高船舶数据采集的准确性和监测的实时性，减小由于数据采集时间不同步带来的误差，提出了一种精确时间同步下船舶数据采集监测的方法。该方法利用基于IEEE 1588的精确同步秒脉冲信号触发数据采集，将盖有“时间戳”的数据放入缓冲区，保证数据完整上传至处理中心；利用FPGA完成秒脉冲信号的控制和信号的采集与处理等时序的逻辑操作，由上层处理中心经由以太网进行数据传输，完成精确的数据采集、实时监测。仿真和测试结果表明，该方法能够完成精确时间同步数据采集监测，满足电力系统各方面测试精度的要求，对进一步提高船舶数据的精确可用性具有重大意义。

国家自然科学基金资助项目(编号：61101206)。

修改稿收到日期：2014-03-24。

第一作者王彦东(1990-)，男，现为海军工程大学检测技术与自动化装置专业在读硕士研究生；主要从事检测技术与时钟同步技术的研究。

关键词：船舶数据采集IEEE 1588时间戳电力系统实时监测时序

Abstract：For improving the accuracy and real time monitoring performance of ship data acquisition and reducing the error caused by the asynchronous data acquisition, the ship data acquisition monitoring method under precise time synchronous is proposed. With this method, the data acquisition is triggered by precise synchronous second pulse signal based on IEEE 1588, the data with time stamps are put into buffer area, to ensure data to be uploaded into processing center without data loss. The logical operation of time sequence for controlling second pulse signals and data acquisition and processing is obtained using FPGA, via Ethernet, data are transmitted, and precise data acquisition and real time monitoring are completed in upper layer processing center.The results of simulation and test show that the method realizes precise time synchronous data acquisition and monitoring, meets the requirement of electric power system, it possesses important significance for further improve precision and utilization of ship data.

Keywords：Ship data acquisitionIEEE 1588Time stampElectric power systemReal-time monitoringTime sequence

0引言

船舶电力系统属于完全独立又完整的小型电力系统，上层监测和控制功能的实现完全依赖于底层数据的采集，精确与否完全由数据准确性决定。各分节点之间的协调工作、统一动作必须在高精度时间同步基础上进行[1]。现有数据采集监测方法的同步精度为毫秒级，很难在数据准确性与操作实时性上完全满足电力系统最高1 μs级精度的要求[2]。

本文所提方法采集得到的高速数据经由数据缓存器完整上传[3]，为进一步精确分析电压、电流、功角稳定性、谐波等数据提供支持。本文主机部分基于嵌入式和可编程逻辑阵列(field programmable gate array，FPGA)[4]加以设计，充分保证了数据传输的高速性和完整性。

1时间同步模块

1.1　P50单元

船舶的高效能建立在高精度时间同步的基础之上，本文的时间同步模块主要通过与北京建普奇正公司合作开发的P50模块完成[5]。P50模块框图如图1所示。

图1　P50模块框图

P50模块的核心是集成了IEEE 1588精确时间同步算法的M50模块。P50模块可以作为从时钟接收主时钟的网络同步报文，完成主从同步;也可接收由全球定位系统(global positioning system，GPS)模块发送的实时时间常数(time of date，ToD)信号和秒脉冲信号(pulse per second)，作为主时钟向下一级从时钟发送同步报文[6]。经过长时间的测试，完成了P50的多组长时间数据统计，并分析了主从同步精度及稳定性。从时钟与主时钟的偏差统计如图2所示。

图2　偏差分布直方图

由统计数据可以得出，从时钟偏差基本分布在100 ns以内，足以满足电力系统最高1 μs的精度要求。

1.2　整体方案

系统方案构成框图如图3所示。

图3　系统方案构成框图

系统整体方案的设计依赖于P50模块为主机提供秒脉冲信号和时间戳标记信号。

系统首先由GPS天线、解析模块和P50组成主时钟，通过以太网完成对全网的精确授时。这样各P50所在的从节点相对于主时钟的精度不会大于200 ns，保证了精确的时间同步[7]。各分节点由P50提供秒脉冲信号和时间标签。

2终端主机模块

终端主机模块是整个方案功能实现的重点部分，主要由ARM和FPGA完成相关功能的实现。

2.1　ARM控制器

ARM微控制器主要根据控制计算机的指令，将FPGA作为I/O扩展，与本地地址关联，完成数据读写、信号控制、数据传输、LED显示等功能。ARM接口设计如图4所示。

图4　ARM接口设计图

ARM通过SPI总线完成同FPGA的数据通信和控制，通过I2C总线完成开关量的输入、输出控制，同时扩展显示、存储、设置、网络通信等接口[8]。

2.2　终端信息通信过程

终端整体组成框图如图5所示。

图5　终端整体组成框图

终端模块应能完成对模拟量和状态量的实时采集、信号的调理与隔离、重要信息显示和数据传输等功能。利用FPGA大量可扩展的I/O口和高速数据处理能力，完成电压、电流信号的数据采集及预处理。FPGA的秒脉冲触发信号由时间同步模块提供，时钟信号由时间同步模块的10 MHz信号提供，由此可以保证多节点之间时间一致性和多点操作的同时性[9]。数据在进入FIFO之前完成对该组数据加入时间标记工作，再经过滤波器对噪声干扰信号处理后，通过I2C总线完成数据传输。

综合考虑功耗、速率等因素，前端数据采集、处理部分芯片采用EP1C1Q240C8和 AD7656进行主体设计。其中，EP1C1Q240C8功耗较低，具有充足的高速I/O口可供使用。FPGA作为数据采集核心单元，通过控制16路模拟开关的选通，控制AD7656进行模数转换[10]。

3软件设计

3.1　A/D单元

数据采集部分采用AD7656进行相关时序设计，FPGA通过控制CONVST信号启动转换，从而可以控制3路ADC进行6个通道的同步采样。AD7656启动转换信号后会自动输出BUSY信号，BUSY信号下降沿时，转换完成，数据保存于内部寄存器中；然后控制CS和RD信号完成转换值的读取。

3.2　FIFO单元

FPGA控制转换后的数据缓存于FIFO模块，并迅速由MCU读取。

FIFO模块设计图如图6所示。

图6　FIFO设计图

通过对Fifo_empty、Fifo_full、Fifo_half等输出信号的获取，可通知外围部件FIFO的工作状态。 FIFO空时外界只可写不可读，满时只可读不可写，半满时可读也可写。 由此可以通过控制数据经过FIFO的缓存实现实时上传[11]。

3.3　流程设计

系统主要靠ARM和FPGA控制多个外围部件完成I/O口控制，并通过对电压、电流输入信号的处理，完成数据采集及模数转换。处理后的信息反映给控制计算机，控制计算机根据采集的数据及与各种已设定好的标准进行比较，将控制信息进行反馈、输出，完成整体信息的交互。

系统软件设计主要依靠Quartus II和IAR EWARM软件进行设计。系统流程图如图7所示。

图7　系统流程图

系统的关键之处在于对时钟同步模块秒脉冲信号的应用，以充分保证各个节点数据采集、转换的精确同步性。完成数据转换、加上时间标签之后，数据存储和实时处理等有效性都有很大提升。这样的处理方式对CPU的实时处理速度的要求也降低了很多[12]。

4系统试验验证

系统采用河南兴创科技公司的STR-3030DN电能质量分析仪检定装置作为标准信号进行信号发生和检定。该装置根据国家电力行业相关标准及国家电网公司对电能质量的技术要求研制而成。采用该装置输出三相电压，节点1和节点2针对B相电压进行测试，两个节点都采用精确时钟同步模块的触发信号[13]。部分相关测试结果如表1所示。

表1中显示了相对于同一输出信号，节点1和节点2的测试情况。由表1可以看出，在精确时钟同步作用下，两节点取得了精确同步结果，只存在细微偏差，极好地满足了相关规定测试要求。

表1　两节点相对标准源测试结果

5结束语

本文针对以往船舶数据采集监测方法时间同步精度不高的缺点，采用IEEE 1588精确时间同步方法的特点展开新的数据采集方法研究。利用FPGA和ARM的综合优势展开相关测试方案设计，并将标准源与测试结果对比，完成了方法验证，最后证明了采用该方法进行数据采集的准确性。该方法对下一步针对电力参数的多种测量机研究起到了很好的铺垫作用，具有很大的工程研究价值。

参考文献

[1] 高志远,徐美强,吴罡明.一个高精度网络对时软件的设计和实现[J].电力系统自动化,2010,34(12)：76-80.

[2] 陈实,许勇,王正凤,等.电网实时动态检测技术及应用[M]．北京:中国水利水电出版社,2010:4-18.

[3] IEEE Std 1588-2008.IEEE Stadard for a prec-ision clock synchronization protocol for networ-ked measurement and control systems[S].2008.

[4] Carvalhoa B B,Santosa B,Carvalhoa P F,et al.The ITER fast plant system controller ATCA prototype real-time software architecture[J].Fusion Engineering and Design,2013(88):541-546.

[5] 陈磊，韩捷，孙俊杰，等.基于ARM和CPLD的振动信号采集系统设计[J].机床与液压，2011,39(7):55-57.

[6] Olguin G,Vuinovich F,Bollen M H J.An optimal monitoring program for obtaining voltages system indexes[J].IEEE Transactions on Power System,2006,21(1):378-84.

[7] 刘艳霞，苗克坚，陆寅.基于PCI的智能化仿真通信存储板的设计[J].计算机测量与控制，2011,19(5)：1184-1187.

[8] Kazemi A,Mohamed A,Shareef H,Zayandehroodi H.Optimal power quality monitor placement using genetic algorithm and mallow’s Cp[J].Electronic Power Energy System,2013(53):564-75.

[9] 徐灵飞，李健.双通道同步数据采集系统的设计与实现[J].自动化仪表,2011,32(1)：69-72.

[10]朱应飞，罗家融，李实.EAST嵌入式数据采集系统设计[J].原子能科学技术，2012,46(7)：893-897.

[11]马宗骥，李佩玥，章明朝，等.基于FPGA+ARM的数据采集系统设计[J].化工自动化仪表,2012,39(9)：1187-1189.

[12]孟祥娇,张会新,崔永俊,等.基于FPGA和AD7667的16路采编传输系统设计[J].自动化与仪表,2012,27(11):40-43.

[13]Tai X,Marelli D,Rohr E,et al.Optimal PMU placement for power system state estimationwith random component outages[J].Electronic Power Energy System,2013(51):35-42.

中图分类号：TP29

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501003