一种基于PTP同步的传感器数据采集传输系统和方法与流程

本发明涉及数据采集传输领域，尤其涉及一种基于ptp同步的传感器数据采集传输系统和方法。

背景技术：

分布式数据采集传输技术的应用非常广泛，最典型的应用场景有军用线列阵声纳湿端分布式水听器数据采集传输，海上石油勘探超大规模多缆多检波器数据采集传输，深海细缆声纳采集传输探测系统等。传统的和现有的分布式数据采集传输系统的缺陷总结如下：一是传统数据采集传输技术常采用rs485总线、atm传输、自定义lvds传输、以太网加rs485、以太网加lvds的架构，这些架构工程应用实施困难，性能落后，可靠性欠佳；二是同步方式落后，现有技术同步方式多为采用额外某通信协议并使用多余电缆传输一个公用的系统主时钟节点与同步脉冲的方式，或者使用串行数据时钟恢复配合命令延时补偿的方式来实现小规模同步采集。同步精度随着系统规模的变大而变差，不具备大规模系统的扩展延伸性，而且实现起来较为复杂，需要额外的软硬件配合，对系统可靠性造成不良影响，在对可靠性要求极为严格的军用声纳和地震石油勘探领域内进行应用受到限制；三是现有技术不具备超大规模系统数据传输能力，数据吞吐量和传输距离受限；四是现有技术业务数据、同步信号、时钟、电源都要采用单独的线缆传输，整个体系中线缆数量多，连接关系复杂，工艺实现复杂，对系统可靠性造成不良影响。现需一种基于以太网ptp同步的可靠性强、大规模扩展、吞吐量大、同步精度高的传感器数据采集传输系统和方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种基于以太网ptp同步的可靠性强、大规模扩展、吞吐量大、同步精度高的传感器数据采集传输系统和方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种基于ptp同步的传感器数据采集传输系统，其包括若干个传感器、若干个采集节点、若干个交换机和计算中心，还包括主时钟节点和从时钟节点；

采集节点包括a/d转换芯片和经ptp同步驯服后的晶振；

a/d转换芯片的工作时钟来源于经ptp同步驯服后的晶振；

主时钟节点为计算中心或一个采集节点，剩余采集节点均为从时钟节点；

采集节点通过ptp协议与主时钟节点进行报文交换，各采集节点均锁定主时钟节点，各采集节点均通过tcp/ip协议上传业务数据到计算中心；

计算中心通过万兆以太网传输线与一个交换机信号连接，交换机与交换机之间通过万兆以太网传输线串联，一个交换机与多个采集节点通过千兆以太网传输线信号连接，多个传感器通过模拟差分传输线与一个采集节点信号连接。

在以上技术方案的基础上，优选的，计算中心设置数据采集的启动时间和停止时间，调整采样频率、工作频率和增益；

启动时间是当前时间和预设延时时间之和；

计算中心通过可靠传输协议将启动时间、采样频率配置下发给各采集节点。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括万兆以太网备份传输线；

计算中心与交换机以及交换机与交换机之间均采用万兆以太网备份传输线。

进一步优选的，还包括36v-72v宽范围的隔离电源；

交换机采用36v-72v宽范围的隔离电源供电，采用网络供电poe技术给采集节点供电。

在以上技术方案的基础上，优选的，交换机包含若干万兆光接口和千兆电接口；

交换机是ptp同步中的透明时钟节点，是给采集节点供电的poe技术中的供电设备pse；

采集节点是ptp同步中的边界时钟节点，是poe供电技术中的受电设备pd。

另一方面，本发明提供了一种基于ptp同步的传感器数据采集传输方法，其包括以下步骤：

s101、搭建计算中心通过万兆以太网传输线与一个交换机信号连接、交换机与交换机之间通过万兆以太网传输线串联、一个交换机与多个采集节点通过千兆以太网传输线信号连接以及采集节点通过模拟差分传输线与传感器信号连接的系统架构；

s102、各采集节点包括a/d转换芯片和经ptp驯服后的晶振，a/d转换芯片的工作时钟来源于经ptp同步驯服后的晶振，设置主时钟节点为计算中心或一个采集节点，剩余采集节点均为从时钟节点，各采集节点通过ptp协议独立地与主时钟节点进行报文交换，所有采集节点均锁定主时钟节点，采集节点锁定主时钟节点后，各采集节点工作时钟的相位和频率均与主时钟节点同步，同步后，各采集节点不断与主时钟节点进行报文交互，维持动态的时间同步；

s103、计算中心设置采集节点开始采集数据的启动时间，调整采样频率，并通过tcp/ip协议将启动时间、采样频率配置下发给各采集节点；

s104、各采集节点收到启动时间、采样频率配置后，持续不断地比较启动时间与本地时间，当启动时间与本地时间相等时，立即通过控制a/d转换芯片sync_in引脚低电平来控制a/d转换芯片开始采集数据，各采集节点的a/d转换芯片同时开始采集数据，并通过tcp/ip协议将采集的数据上传给计算中心。

在以上技术方案的基础上，优选的，s101中交换机采用36v-72v宽范围的隔离电源供电，采用网络供电poe技术给采集节点供电。

更进一步优选的，交换机包含若干万兆光接口和千兆电接口；

交换机是ptp同步中的透明时钟节点，是给采集节点供电的poe技术中的供电设备pse；

采集节点是ptp同步中的边界时钟节点，是poe供电技术中的受电设备pd。

在以上技术方案的基础上，优选的，s101中计算中心与交换机以及交换机与交换机之间均采用万兆以太网备份传输线组成备份链路；

备份链路通过配置交换机芯片内部状态寄存器完成。

在以上技术方案的基础上，优选的，s103中启动时间是当前时间与预设延时时间之和。

本发明的一种基于ptp同步的传感器数据采集传输系统和方法相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过将交换机串联，可以根据具体应用场景大规模扩展，串联交换机数目可定制，每个交换机挂接的采集节点数目可定制，每个采集节点能够采集的传感器通道数可定制，可以减少布线，可以使系统能够应用在传统采集传输系统无法良好适配的军用线列阵声纳水声传感数据采集与传输、大阵列规模的海洋石油多缆多通道地震勘探系统、深海采集传输探测系统中；

(2)通过采用ptp同步协议，实现各采集节点的时钟信号同步，基于以太网ptp同步网络实现所有传感器的高精度同步采集；

(3)采集节点中a/d转换芯片的工作时钟来源于经ptp驯服后的晶振，因此可以避免整个分布式采集系统通过其他协议使用和传输唯一主时钟节点信号造成走线增多和信号质量不可靠的问题；

(4)通过采用万兆以太网传输和千兆以太网传输架构，传输性能高，传输带宽宽，阵列长度不受限，工艺简单，线缆数量少，可以远距离传输，具备超大规模系统数据传输能力，数据吞吐量大；

(5)通过使用poe以太网供电技术给采集节点提供电源，采集节点业务数据、同步信号、时钟、电源都采用以太网线缆传输，采集节点可即插即拔单独或小规模使用，也可快速组成大规模采集传输系统，简化了采集传输系统结构，提升了系统可靠性；

(6)以太网对所有采集节点进行集中管理，并采用tcp/ip协议，提高了传输可靠性，保证数据不丢失；

(7)整个装置的采集整列长度不受限，在大规模传感器阵列数据采集应用时实现各采集节点高精度同步。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于ptp同步的传感器数据采集传输系统的结构图；

图2为本发明一种基于ptp同步的传感器数据采集传输系统的结构图；

图3为本发明一种基于ptp同步的传感器数据采集传输方法的流程图；

图4为本发明一种基于ptp同步的传感器数据采集传输方法中采集节点与主时钟节点秒脉冲关系图；

图5为本发明一种基于ptp同步的传感器数据采集传输方法各采集节点采样示意图；

图6为本发明实施例一的预设时间的设置方法流程图；

图7为本发明实施例五的默认状态系统网络结构图；

图8为本发明实施例五的异常状态系统网络结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例一、

如图2所示，本发明的一种基于ptp同步的传感器数据采集传输方法，包括以下步骤：

s101、搭建计算中心通过万兆以太网传输线与一个交换机信号连接、交换机与交换机之间通过万兆以太网传输线串联、一个交换机与多个采集节点通过千兆以太网传输线信号连接以及采集节点通过模拟差分传输线与传感器信号连接的系统架构；

s102、各采集节点包括a/d转换芯片和经ptp驯服后的晶振，a/d转换芯片的工作时钟来源于经ptp同步驯服后的晶振，设置主时钟节点为计算中心，剩余采集节点均为从时钟节点，各采集节点通过ptp协议独立地与主时钟节点进行报文交换，所有采集节点均锁定主时钟节点，采集节点锁定主时钟节点后，各采集节点工作时钟的相位和频率均与主时钟节点同步，同步后，各采集节点不断与主时钟节点进行报文交互，维持动态的时间同步；

s103、计算中心设置采集节点开始采集数据的启动时间，启动时间是当前时间和预设延时时间之和，并通过tcp/ip协议将启动时间、采样频率配置下发给各采集节点；

s104、各采集节点收到启动时间、采样频率配置后，持续不断地比较启动时间与本地时间，当启动时间与本地时间相等时，立即通过控制a/d转换芯片sync_in引脚低电平来控制a/d转换芯片开始采集数据，各采集节点的a/d转换芯片同时开始采集数据，并通过tcp/ip协议将采集的数据上传给计算中心。

在本实施例中，设置计算中心为主时钟节点，各采集节点为从时钟节点。采集节点锁定主时钟节点的方法是：主、从时钟节点之间交互同步报文并记录报文的收发时间，通过计算报文往返的时间差来计算主、从时钟节点之间的往返总延时，如果网络是对称的，即两个方向的传输延时相同，则往返总延时的一半就是单向延时，这个单向延时便是主、从时钟节点之间的时钟偏差，从时钟节点按照该偏差来调整本地时间，就可以实现其与主时钟节点的同步。

其中，如图步骤s103中，预设延时时间的测量方法包括以下步骤：

s201、主时钟节点向从时钟节点发送sync报文，并记录发送时间t1，从时钟节点收到该报文后，记录接收时间t2；

s202、主时钟节点发送sync报文之后，紧接着发送一个携带有t1的follow_up报文；

s203、从时钟节点向主时钟节点发送delay_req报文，用于发起反向传输延时的计算，并记录发送时间t3，主时钟节点收到该报文后，记录接收时间t4；

s204、主时钟节点收到delay_req报文之后，回复一个携带有t4的delay_resp报文。

此时，从时钟节点便拥有了t1～t4这四个时间戳，由此可计算出主、从时钟节点间的往返总延时为[(t2-t1)+(t4-t3)]，本实施例中时间同步网络是对称的，所以主、从时钟节点间的单向延时为[(t2-t1)+(t4-t3)]/2。因此，从时钟节点相对于主时钟节点的时钟偏差为：offset＝(t2-t1)-[(t2-t1)+(t4-t3)]/2＝[(t2-t1)-(t4-t3)]/2。

实施例二、

如图所示，在实施例一的基础上，本发明提供了一种基于ptp同步的传感器数据采集传输方法，包括以下步骤：

s101、搭建计算中心通过万兆以太网传输线与一个交换机信号连接、交换机与交换机之间通过万兆以太网传输线串联、一个交换机与多个采集节点通过千兆以太网传输线信号连接以及采集节点通过模拟差分传输线与传感器信号连接的系统架构；

s102、各采集节点包括a/d转换芯片和经ptp驯服后的晶振，a/d转换芯片的工作时钟来源于经ptp同步驯服后的晶振，设置主时钟节点为一个采集节点，剩余采集节点均为从时钟节点，各采集节点通过ptp协议独立地与主时钟节点进行报文交换，所有采集节点均锁定主时钟节点，采集节点锁定主时钟节点后，各采集节点工作时钟的相位和频率均与主时钟节点同步，同步后，各采集节点不断与主时钟节点进行报文交互，维持动态的时间同步；

s103、计算中心设置采集节点开始采集数据的启动时间，启动时间是当前时间和预设延时时间之和，并通过tcp/ip协议将启动时间、采样频率配置下发给各采集节点；

s104、各采集节点收到启动时间、采样频率配置后，持续不断地比较启动时间与本地时间，当启动时间与本地时间相等时，立即通过控制a/d转换芯片sync_in引脚低电平来控制a/d转换芯片开始采集数据，各采集节点的a/d转换芯片同时开始采集数据，并通过tcp/ip协议将采集的数据上传给计算中心。

在本实施例中，选定采集节点中任意一个采集节点为主时钟节点，剩余的采集节点均为从时钟节点。各采集节点的a/d转换芯片的mclk来源于经过ptp同步驯服后的晶振，因此各采集节点的工作频率和时钟相位长时间来看是相等的，a/d转换芯片以该时钟为源时钟来自动控制采样间隔，因此可以保证后续的采集节点在同步精度范围内都是同时采样的。

预设延时时间的测量方法与实施例一相同，在此不再累赘。

实施例三、

如图1所示，在实施例一的基础上，本发明提供了一种基于ptp同步的传感器数据采集传输系统，其包括若干个传感器、若干个采集节点、若干个交换机、计算中心、主时钟节点和从时钟节点。

计算中心分别通过万兆以太网传输线与一个交换机信号连接，交换机与交换机之间通过万兆以太网传输线串联，一个交换机与多个采集节点通过千兆以太网传输线信号连接，采集节点通过模拟差分传输线与传感器信号连接。在本实施例中，设有j个交换机、j*m个采集节点、j*m*n个传感器。

采集节点，对n通道传感器信号进行调理、模数转换、打包传输处理。主时钟节点，用于给各采集节点授时，主时钟节点为计算中心或一个采集节点，剩余采集节点均为从时钟节点，若主时钟节点为计算中心，则所有采集节点均为从时钟节点，若主时钟节点为一个采集节点，则剩余采集节点为从时钟节点。各采集节点通过ptp协议独立地与主时钟节点进行报文交换，各采集节点均通过tcp/ip协议与计算中心通信，如图3所示，经过一段时间后，所有采集节点均锁定主时钟节点，采集节点与主时钟节点秒脉冲基本同步，各采集节点锁定主时钟节点后，采集节点之间的时钟就间接地同步了，即相位和频率均同步。采集节点锁定主时钟节点后，仍然会不停地与主时钟节点进行报文交互，维持动态的时间同步。

计算中心，控制各采集节点的采集控制和采集数据收集与处理。计算中心对各采集节点的状态进行监视，只有等待各采集节点均锁定主时钟节点后，才能发送指令启动采集节点进行数据采集。启动指令使用一个启动时间来完成，启动时间是当前时间和预设延时时间之和，所有采集节点的启动时间相同，采样节点工作时钟的相位和频率也相同。计算中心通过可靠传输协议，例如tcp/ip协议，将启动时间、采样频率配置下发给各采集节点。各采集节点收到启动时间、采样频率配置后，持续不断地比较启动时间与本地时间，当启动时间与本地时间相等时，采集节点同时开始采集数据。采集节点包括a/d转换芯片和经ptp同步驯服后的晶振，如图4所示，通过控制a/d转换芯片的sync_in引脚低电平来控制a/d转换芯片开始采集数据，同时，a/d转换芯片的mclk来源于经过ptp同步驯服后的晶振，因此各采集节点的工作频率和时钟相位长时间来看是相等的，a/d转换芯片以该时钟为源时钟来自动控制采样间隔，因此可以保证后续的采集节点在同步精度范围内都是同时采样的。各采集节点均通过tcp/ip协议将采集的数据上传给计算中心，若需要停止采样，计算中心向采集节点发送采集停止指令，停止指令使用一个停止时间来完成。停止时，各采集节点配置相同的停止时间。

交换机，负责采集节点数据的存储转发。交换机包含若干万兆光接口和千兆电接口，同时也是ptp同步中的透明时钟节点，采集节点是ptp同步中的边界时钟节点，同时也是poe供电技术中的受电设备pd。交换机有多个ptp端口，交换机只在这些端口间转发ptp协议报文并对其进行转发延时校正，而不会通过任何一个端口同步时间，在本实施例中，交换机只直接转发sync报文、follow_up报文和announce报文，而终结其它ptp协议报文，并参与计算整条链路上每一段链路的延时。

本发明的工作原理是：各采集节点通过ptp协议独立地与主时钟节点进行报文交换，经过一段时间后，所有采集节点均锁定主时钟节点，采集节点锁定主时钟节点后，各采集节点工作时钟的相位和频率均与主时钟节点同步，同步后，各采集节点不断与主时钟节点进行报文交互，维持动态的时间同步。各采集节点均锁定主时钟节点后，计算中心发送指令启动采集节点进行数据采集。启动指令使用一个启动时间来完成，启动时间是当前时间和预设延迟时间之和，所有采集节点的启动时间相同，采集节点工作时钟的相位和频率也相同。计算中心通过tcp/ip协议将启动时间、采样频率配置下发给各采集节点。各采集节点收到启动时间、采样频率配置后，持续不断地比较启动时间与本地时间，当启动时间与本地时间相等时，立即通过控制a/d转换芯片sync_in引脚低电平来控制a/d转换芯片开始采集数据，各采集节点的a/d转换芯片同时开始采集数据，同时，a/d转换芯片的mclk来源于经过ptp同步驯服后的晶振，因此各采集节点的工作频率和时钟相位长时间来看是相等的，a/d转换芯片以该时钟为源时钟来自动控制采样间隔，因此可以保证后续的采集节点在同步精度范围内都是同时采样的。a/d转换芯片采集数据发送给采集节点，每个采集节点对采集节点下的传感器信号进行调理、模数转换和打包传输处理，将打包后的数据通过tcp/ip协议发送给交换机，交换机转发给计算中心进行信号处理。若需扩大系统规模，采集更多传感器的数据，仅需增加交换机和采集节点数量即可。

实施例四、

在实施例一或实施例二的基础上，本实施例中，交换机供电采用36v-72v宽范围隔离电源，各采集节点的供电采用网络供电poe技术，采用的标准为802.3af，支持12.95w功率输出，poe技术可自动实现负载检测、功率分级、浪涌控制等功能。隔离电源通过电源线分别与若干个交换机电性连接，在千兆和万兆以太网传输线上采用网络供电poe技术，采用网络供电poe技术最有价值的一点在于，poe采用以太网线缆输电，无需专用电源线对采集节点供电，采集节点业务数据、同步报文和电源均通过一根以太网传输线传输，可减少供电线路数量，提高系统可靠性。若在实施的时候采用一个采集节点连接单个传感器，则整个系统除了主电源线外，没有模拟电缆，真正实现全数字化与网络化。

在本实施例中，交换机既作为ptp同步中的透明时钟节点，也作为给采集节点供电的供电设备pse，采集节点是ptp同步中的边界时钟节点，同时也是poe供电技术中的受电设备pd。

实施例五、

在实施例三的基础上，本实施例配置交换机芯片内部状态寄存器实现主干网络双备份。

对于线性级联交换式以太网这种主干网络为串联方式的系统来说，某一串联节点或链路的故障都将导致故障节点之前的数据丢失，系统风险较高，采用主干网双备份的方案，可以提高系统的可靠性。如图6所示，主干网络分为工作链路和备份链路，初始状态下，计算中心host与n个交换机10gbsw相互串联成工作链路，工作链路工作时，交换端口p1和端口p2打开，端口p3和端口p4关闭。一旦工作链路上某一个节点出现异常，则自动热切换到该节点对应的备份链路工作。如图7所示，默认状态下，工作链路上的交换机均采用交换端口p1和端口p2，当某交换机出现故障时，该交换机自动切换到交换端口p3和端口p4的备份链路上，从而保证正常工作。

实施例六、

在实施例一至实施例四中任一项实施例的基础上，本实施例应用在矢量水听器线列阵军用声纳的应用场景中。单个矢量水听器包括三个加速度通道和一个声压通道，共4个通道。因此，可设置单个采集节点对单个4通道矢量水听器信号进行调理、模数转换和打包传输。若矢量拖曳阵一共需要320个矢量水听器，则系统可配置为主干网40级交换机串联，每个交换机挂接8个采集节点，每个采集节点采集4通道数据。即系统结构图中j＝40，m＝8，n＝4。链路吞吐量根据采集节点采样频率与总数据量而定。

在大数据量传输和超远分布传感器数据传输应用场景下，可将主干网配置为万兆以太网交换机和万兆传输链路，采集节点与交换机之间可采用千兆以太网连接。这样一是能够减少传输延时，从而在满足数据实时传输的同时提高ptp同步精度；二是可以适配海量数据采集传输的需求。

在低功耗要求和中等数据量传输的应用场景下，可将主干网配置为千兆以太网交换机和千兆传输链路，采集节点与交换机之间可采用百兆以太网连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。