PCM与网络数据采集系统技术分析.pdf

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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/收稿日期:2009-01-06作者简介:袁炳南(1963),男,高级工程师,一直从事计算机应用、试飞测试与飞行试验遥测数据处理技术研究;张建琳(1974),男,硕士,高级工程师,主要从事计算机信息系统、飞行试验数据处理技术研究。PCM与网络数据采集系统技术分析袁炳南,张建琳(中国飞行试验研究院,陕西 西安 710089)摘要:机载PCM数据采集系统在飞行试验领域已经有几十年的应用历史。这种类型的数据采集系统是业界广为熟知

2、的,相对来讲使用简单,软硬件配置较小,易于建立小型或大型分布式数据采集系统。随着计算机网络技术的迅猛发展,网络数据采集系统被逐渐应用,相对来讲其在飞行试验机载测试领域还是一种新的模式,因此建立网络数据采集系统的新方法和更好地应用这些方法是非常重要的。为此,探讨和比较了传统的PCM数据采集系统和网络数据采集系统的基本原理和特性,重点讨论了在网络数据采集系统中所引起的时间分配和同步问题。关键词:PCM;网络;数据采集;IEEE1588中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1000-8829(2009)04-0025-03Techn ical Review of Data Acquisi

3、tion System s Based on PCM and NetworkYUAN Bing2nan,ZHANG Jian2lin(Chinese Flight Test Establishment,Xian 710089,China)Abstract:Onboard PCM data acquisition systems have been applied for several decades.It is familiar,usedeasily,s mall configuration,facilely settingmini or distributed data acquisiti

4、on systems in flight test area.Alongwith computer technique,data acquisition systems,a new manner based on network has being used gradually inflight test.It is important to build the new methodology and apply it in testing.The elements and characteristicsof data acquisition systems based on PCM and

5、network are discussed,focusing in ti me distribution and synchro2nization issues.Key words:PCM;network;data acquisition;IEEE1588 在飞行试验领域,大多数测试系统都采用一种基于PCM体系的数据采集系统,这种采集系统基于时分多路数据传输体制,在属性上具有高度的确定性。PCM系统相对较小,其使用简单的设计来完成和产生PCM数据流,系统可以是单个采集装置或者是一组数据采集装置形成的一个分布式数据采集系统。大多数情况下,一个分布式系统的同步是通过硬件同步信号或者一个总线来完成的

6、,如通用机载测试总线。控制参数采集时序的格式通常位于PCM控制器,依据不同的系统制造商,这种采集格式或者其子集可能位于远程数据采集单元,这种格式通过一个简单的状态机以一个预先确定的速率来完成。随着飞行试验测试技术的不断发展,计算机网络技术也随之得到了越来越多的应用。以下首先讨论基于PCM数据采集系统的主要特点,然后描述了与之相应基于网络数据采集系统,最后分析了其关键的时间同步问题。1PCM数据采集系统的特点PCM数据采集系统是广大试飞工程师和PCM制造商非常熟知的系统,在飞行试验领域得到了广泛的应用,甚至很少有人来讨论它的基本特性。为了能够深入地分析PCM系统和网络体系,分析这些特性的区别和特

7、点是非常重要的。PCM系统通常具有数据的单向传输性、数据的同步到达性、系统参数的静态特性、控制信号和数据信号严格分离、时间信号和数据信号的严格分离和精确的全局时序同步等特点。1.1 数据的单向传输性数据的单向传输性是由PCM控制器执行数据采集格式循环图命令来决定的。根据这些命令来进行数52PCM与网络数据采集系统技术分析 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/据采集,并将获取的数据插入PCM数据流,部分数据或全部数据发射到地面,而全部原始数据被记录在机载记录器

8、上。系统及相互间的连接是严格固定的,数据只能传递到指定单元而不会改向传输到采集系统内部其他装置。当一个公共数据需要抽引到其他的专用机载装置(如座舱显示器或处理单元)的时候,就需要增加数据连线来传输载有相同信息的数据信号和时钟信号,如图1所示。图1PCM分布式数据采集系统示意图1.2 数据的同步到达性数据的同步到达是由系统的结构和系统中单元之间的定制连接确定的。传统的结构是基于以高精度字速率执行固定格式命令的思想,各式内部的每条命令在系统中被传输到相应的数据采样通道,数据以整个PCM字速率和格式时序同步进行采样。为了提供与用户输入格式序列相同的PCM输出通道序列,所有PCM数据通过不同的通道以固

9、定的延时输出,其目的是用于采集通道的指令传输和系统控制器PCM输出的数据传输,如图2所示。图2 数据采集时序示意图1.3 系统参数的静态特性PCM系统具有一个固有的静态特性。众所周知,一个系统的特性是来自于系统的设计。一个系统的体系结构、内部连接和数据采集格式之所以具有静态特性是由以下因素所决定的:数据采集格式的指令是单向传输的,并且是点对点传输;数据采样是单向传输的,并且是点对点传输;固定的系统配置连接带宽是已知的(PCM速率是已知);数据重复传播;PCM系统一般是基于固定时序和固定管路的状态机系统;无数据冲突;基于位速率、字速率、帧速率的已知固定延时。1.4 控制信号和数据信号严格分离在P

10、CM系统中,控制信号和数据信号通道是严格分离的。当控制信号通过数据线操作时,就会停止格式命令的执行,如果数据通道不允许中断,就需要其他控制功能线来完成数据的收集。控制功能常用于对系统重新编程,改变通道配置,完成系统检查和状态收集等。1.5 时间信号和数据信号严格分离在PCM数据采集系统中,时间分配是从数据通道来分别进行的。通常工作在分布式数据采集系统中的采集单元需要一个外部时间信号。这个时间信号常常用于为异步的航空电子总线数据和其他所采集的异步事件打入时标。时间信号也用来对每个PCM帧打入时标。对于一个大型分布式数据采集系统来说需要一个时间分配装置。1.6 精确的全局时序同步PCM数据采集系统

11、提供一个高精度的全局时统信号。这是由于系统的时分多路传输属性和PCM控制器向系统中所有单元发布其时钟而决定的。虽然这样一个系统是高度同步的,但设计者和用户有这样一些约定成俗、都能相互明确的同步设定,其中包括:在分布式系统中数据采集单元间的系统连线是零延时的;所有同步信号是数据采集单元间通信总线的一部分;数据采样由一个PCM控制器或者多个同步控制器进行控制和分时操作。2 网络的数据采集系统与PCM体系的数据采集系统相比,大多数试飞工程师和PCM制造商对基于网络的数据采集系统相对了解较少以致不明白其性能特点或者还持不同见解。笔者认为,只有明白网络的体系结构的基本原理才能使人们更容易辨别基于网络体系

12、的系统和基于PCM体系的系统之间的不同点。以网络为中心的数据采集系统通常具有以下特点:数据的包块化;数据包的双向传输性;所有数据异步到达;系统参数的动态特性;控制和数据信号完全混合;全局同步时间精度较低。2.1 数据的包块化数据打包可以看作为将一个连续的数据流转换成离散的数据块的过程。通过定义的数据包定义了起点62 测控技术 2009年第28卷第4期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/和终点,将信息切块成许多离散单元,其目的就是能够在单个线路上有效地实现带

13、宽共享。数据打包是PCM数据采集系统和网络数据采集系统的最根本区别。在网络数据采集系统中为了建立数据包就必须进行数据积聚,而积聚的结果则是潜在的延时。如果把数据包变的非常小就会产生许多极小的延迟时间,相应地所产生的大量小数据包由于过多的包头会损失较多的带宽。也由于需要把许多小包交换和路由到同一个物理地址而耗费大量的处理器资源。因此,进行基于网络的数据采集系统的设计时在效率上和时间延迟上既要恰当又要适中的方案是至关重要的。2.2 数据包双向传输在包块化的信息网络中没有固定的方向,媒体访问控制器从系统中抽象出必要的信号表明一个具体的节点是一个发射器还是接收器。具有冲突检测的半双工连接或者全双工链路

14、允许一个节点发起和中断数据传输。因此,一个设备在数据采集系统中所扮演的角色是不固定的,有时它可能向网络发起数据采集,而下一时间它可能重新调整它的内部计划成为数据传输的目的地。2.3 数据异步到达当一个参数的采样率预先确定以后,含有一组参数的数据包以及通过网络传输都会导致数据包在目的地的异步到达。当以同步的方式测量一个数据源收到自己所发出数据的到达时间的时候,将会发现数据包传播呈现成一个标准的正态分布曲线。造成这种现象的原因是由于网络底层内部的资源共享,来自不同数据源的数据包在不同的时间竞争一个特定的资源,导致了数据包在网络中不同点的随机分布。例如,假设有3个通道,一个每秒钟发一个包,另一个每秒

15、钟发2个包,第3个每秒钟发3个包。在网络的集合点,在同一情况下所发出的数据包必须是有顺序发出的。这种顺序或者是通过冲突检测,或者是通过插入传输时序的FIFO。不管是何种情况,最终的结果是不同情况的一个记录,取决于资源的可用性和不可预测的统计,如图3所示。2.4 固有参数的动态特性当今几乎所有网络数据包都携带有互联网协议的一些信息。IP信息包传统上是最有成效的方法,被丢失的信息包将会重新发送。通常信息包的最初原始发送序列被记录下来,它们对超负荷的网络内可能的堵塞点在时序上是非常敏感的。因为数据包携带有包头信息,不仅对该信息包进行了定义,而且还说明了它的来源和去向。这仅仅是设想把它们如何发送出去,

16、因此按照信息包的基本情况为信息包定义网络服务的不同级别是可能的。如果这些服务包括带宽、定时或者可靠性,就意味着网络服务的质量。现代信息包网络规定了网络服务参数的动态控制功能。当所有的采集数据都重要的时候,与数据采集硬件工作相关的状态数据就会比正在获取的传感器数据的优先级别低,网络就会收到这种优先级信息。图3 数据包传输示意图2.5 控制和数据信号完全混合信息包块化网络不需要将控制信息和数据信息进行物理隔离,因为协议堆栈计数器的使用使得端点能够区分那些可能包含控制信息或参数信息的位流数据;MAC地址能够对一个信息发送者或接收者进行识别;TCP和UDP端口能够进行功能分离,TCP重复传输使得控制消

17、息能够可靠传输,UDP多点传输能够提供有效使用带宽和同一数据到多个目的地的传输;网络内部的任何节点能够控制另一个节点并完成数据的发送和接收任务。2.6 全局同步时间精度较低信息包网络习惯上不要求高度同步,大多数系统作用于内部交互式事件驱动方式,像FTP、Telnet,HT2TP,Web浏览器和Client/Server方式都是以事件驱动交互方式为前提的。近年来,多媒体技术得到了迅猛发展,多媒体信息流正在成为信息包网络的实质性内容,但是它首要关注的是在远程目的地的存储时间。这基本上可以看作为单点到多点传输方式,以这种手段将存储的音频和视频数据传输到一个远端目的地,使得对时间灵敏性极高的数据能正确

18、地播放出来。在目的地之间不需要任何协调工作,每个观察器监视一个同步信息,而这个同步信息对于同一时间监视同一同步信息的不同观察器来看却保持不同步。由于其主要目的是给人们表达信息,所以所要求的同步精度是毫秒级的。最主要的原因是其灵活方便的信息交换所造成的,虽然它在失败事件的处理和共享资源的有效利用方面有很大的潜力,但是在信息包网络的多节点之间获取严密的同步方面变得复杂和困难。(下转第31页)72PCM与网络数据采集系统技术分析 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:

19、/如图3所示,按照传统的杜芬理论认为此时信号中不含有125 Hz微弱特征信号,这显然是不正确的,现在按照3.3节中所述的方法步骤,使用相关算法进行计算,将124 Hz和126 Hz频率信号输入杜芬系统,并在多种噪声情况下计算其相关系数如表3所示,选择0.8134作为阈值,将余弦信号s=0.01cos(2 125t)和高斯白噪声randn(1,10000)输入杜芬系统,计算相关系数为0.8743,由此可以确定输入信号中一定含有125 Hz频率信号。表3 特征信号 1 Hz在不同噪声下的相关系数表频率/Hz信噪比/dB-66-64-60-54-40无噪声1240.78080.79340.79480

20、.80250.81240.81341260.79250.79710.80320.80480.80960.81215 结束语采用相关系数法来检测微弱特征信号,是在原有杜芬相图检测法的基础上改进而得到的,它通过对相关系数的判别,并采用阈值划分的方法,对那些不能引起杜芬系统相图发生根本性变化的极微弱特征信号有很好的检测效果。该方法能够在系统处于混沌态时判断出特征信号的存在,打破了以往检测特征信号时对系统相图变化的要求,从而更能适应工程实际的需要。参考文献:1Hock KM.Narrowband weak signal detection by higher or2der spectrum signa

21、l processing J.IEEE Transactions onSignal Processing,1996,44(4):874-879.2 陈湗,任大孟,等.强噪声背景下的弱信号检测方法研究J.信息技术,2003,27(6):67-68.3 胡茑庆.转子碰摩非线性行为与故障辨识的研究D.长沙:国防科学技术大学,2004.4 王冠宇,陶国良,等.混沌振子在强噪声背景信号检测中的应用J.仪器仪表学报,1997,18(2):209-212.5Wang G Y,Chen D J,Lin J Y,et al.The application of cha2otic oscillators to w

22、eak signal detection J.IEEE Transac2tion on Idustrial Electronics,1999,46(2):440-444.6Wang G Y,He SL.A quantitative study on detection and es2timation of weak signals by using chaotic duffing oscillatorsJ.IEEE Transactions on Circuits a Systems-I:Funda2mental Theory and Applications,2003,50(7):945-9

23、53.(上接第27页)3 时间配置虽然信息包网络有着许多其固有的高于传统的PCM体系结构的优点,但是它逃脱不了至少一个至关重要的缺陷,即时间精度问题。在信息包网络内来完成高精度的时间分配是非常困难的。在信息包网络中获取时间同步的可能的技术途径如表1所示。表1 获取时间同步的几种技术途经SNTPGPSIR IGIEEE1588应用范围全球全球10英尺100英尺通信方式互联网卫星电缆局域网时间精度几毫秒s几微秒s管理方式分配配置自行管理特殊硬件接收机FPGAFPGA4NTP、SNTP和IEEE1588NTP(network time protocol),互联网标准协议,把计算机同步到一个基准时钟。

24、SNTP(simple network time protocol),是NTP的子集。它使用基准时钟UTC,采用故障容错协议,以选择最好的时钟源,其基准时间分等级,分辨率小于1ns。网络中断时可正确评估当前时间并维持之。PTP(precision ti me protocol),即IEEE1588标准,2002年颁布,用于分布式测试及控制任务。它用来同步同一个以太网中各终端设备的本地时钟,其时标传输在同步包之后,发送和接收的检测与时标的发送并不对应。不同于SNTP,它可用于低端终端设备、带宽要求低、无特殊CPU及内存要求、管理成本低等。上述解决时间同步的所有途径中,IEEE 1588在同类指标

25、上似乎有较多的优势。2002年发布了IEEE1588标准第一版,经演示它在现实局域网中能够获得100300 ns的时间精度。5 结束语综上所述,PCM数据采集与网络数据采集的方法有着本质的区别。有些特性使得以网络为中心的数据采集体系对将来的航空电子数据采集系统更具吸引力。然而为了能够成功地实现网络数据采集体系,时间通信是与数据通信一样是其核心的功能。任何先进系统的实现必须循序渐进,继承现有系统的优点,保持与现存测试体系的兼容。网络技术的引入打开了现代商用技术在飞行试验测试技术中的应用大门。可以相信,随着网络技术的不断进步,基于网络的数据采集系统将会在飞行试验机载采集、民用航空测试、航空电子设备等方面有着广阔的应用前景。13相关系数法在相变检测微弱特征信号中的应用