基于GPS的分布式数采系统数据同步方法应用研究
师 伟¹，陈 冕¹，王隆义²，石小江¹，袁世辉¹
(1.中国燃气涡轮研究院 航空发动机高空模拟航空科技重点实验室，四川 江油 621703
2.8858cc永利官网，北京 100086)
摘 要：针对航空发动机高空模拟试验的业务需要，面向通用总线LXI、VXI和模块化PLC设备组建分布式数据采集系统，提出一种基于GPS网络时钟服务器同步多套独立数据采集系统的方法。经过模拟测试和试验验证该方法能满足航空发动机试验数据同步要求，对提高高空台数据分析、故障分析和判定有较大的帮助。该同步系统运行可靠、精度高、对应用程序运行效率影响小，具有较好的同步效果，在航空发动机试车台及类似的采集系统中具有一定的工程参考价值。
关键字：高空模拟试验，网络时钟服务器，采集系统，同步，分布式
Research for the GPS based data synchronization method application on DDTS
SHIWei¹，CHEN Mian¹， WANG LongYi²，SHIXiaoJiang¹，YUAN ShiHui¹
(1. School Aviation Science and Technology - - Simulated Altitude Key Laboratory, AVIC Gas Turbine Establishment, Jiangyou 621703, China; 2.Beijing RAINFE technology CO.,LTD 100086)
Abstract: For the demand of aero-engine altitude simulated tests and distributed data acquisition system consist of general bus equipments such as LXI,VXI ,and PLC, the method to synchronize several data acquisition systems by GPS based network clock server is introduced,and then, and the new synchronization system is built. The system performance have been validated by simulation and test. The Data analysis ability improved,as well as failure judgement and detect through this way. The advantages of the synchronize system include operation stabilization, high precision, little effect on application ,etc.Thereby, this way could be introduced to other aero-engine test facilitys.
Key words: altitude simulated test,network clock server, data acquisition system, synchronization,distributed
1 引言
在航空发动机的发展历史中，试验测试是人们认识其规律最主要、最直接的方式，也是推动航空发动机技术进步的重要基础。可以毫不夸张的说，没有试验测试技术的发展和应用，就没有现代高水平的航空发动机。航空发动机高空模拟试验具有测量参数多、测量范围宽、参数测量环境条件差、测试精度要求高的特点。目前，随着试验信息化技术的推进，要求对产品从研发设计、试制、生产到使用维护的全寿命过程采用同一标准的测试设备和测试软件进行“综合测试管理”。
为满足航空发动机高空模拟试验的测试要求，基于“就近测量”原则，设计出一套分布式测试系统如图1(航空发动机高空模拟试验常规测试系统)所示。该系统选用LXI总线，该总线综合了VXI和Ethernet的优点，能构成分布式网络测试系统，具有实时性、安全性、可靠性，并提供基于LAN消息的同步方式、基于IEEE 1588精密时间协议的同步方式和硬件触发三种同步方法。系统设计中综合考虑硬件触发方法不受操作系统等软件的约束和系统调度影响，时延可预测，能提供最佳的时间同步性能，在设计中采用硬件同步触发和GPS授时进行数据同步和标时。
多系统的时标如果存在差异或不能真实反映数据产生的真实时间，给数据分析判断发动机各个状态出现的先后带来一定的困难。不能科学地给出不同系统时间同步精度和置信空间，不能满足试验数据分析要求。所以数据采集系统的同步显的尤为重要。采用GPS时间同步，一次投入终身有效，并且利用测试网络计算机同步到GPS时钟；然后其他的节点就只需要与这个主机进行时间同步。现有网络延迟小，因此采用这种方案能够获得很高的时间同步精度。
图 1 航空发动机高空模拟试验常规测试系统
2 系统的同步设计
2.1 系统硬件同步连接方案
EX2500零槽控制器整合了一个符合LXI的触发器总线连接器和电平转换及驱动器，能保证与传统总线不同逻辑电平的连接。LXI 规范包含一个独立的八线 LVDS 触发器总线连接LXI设备(EX1000A及VXI设备)，LVDS可以直接映射到 VXIbus TTL 触发器总线上，利用它来连接压力扫描阀设备PSI系统。整个系统的主时间来源于遵循NTP协议的GPS网络时钟服务器。高空台常规测试系统同步线路连接简图如图2。
图2 高空台常规测试系统同步线路连接简图
2.2 单子系统硬件同步方法
数据同步是一个非常重要的功能，而保证整个系统数据同步的基础首先是每个测试子系统内数据的同步。子系统数据同步最优的方案是采用外部触发信号来触发数采设备进行采集，保证每一个子系统中所有设备都是同一个时刻开始采集的，而设备时钟是非常精确的，可以保证在设定采样率情况下的采样点数，因此在经过相同的时刻，每个设备的采样点数是一样的，各个设备的采样点对齐可以按照采样点序号进行。采用硬件触发可以克服以太网延迟和软件触发时的系统调度误差，提供更可靠的、精准的系统触发信号。
EX1000-TC设备可以接受PTP时钟同步信号，利用GPS时钟源同步EX1000-TC的设备时钟。EX1000-TC设备会有一个通道来记录每遍数据采集的时间，这个时间是UTC时间，非常精确，这就为各个子系统数据同步提供了同步的基础，各个子系统间数据同步采用数据采集点所对应的采集时间来对齐。设备同步过程如下，VXI机箱内设备采用背板触发总线进行触发，零槽控制器EX2500A设备可以输出一个LXI Trigger Bus总线信号，用于同步触发EX1000-TC设备，同时EX2500A可以输出一个TTL信号，用于同步触发PSI设备，因为有多个PSI机箱，则在其间增加一个TTL信号触发分支器，把一个触发信号分到多个PSI机箱中。开始采集时，由采集软件发送一个触发指令给EX2500A设备，其后执行以上触发流程。EX1000-TC设备提供的一个时间通道误差在纳秒级，因此我们只要指定一个时间通道作为整个测试系统的数据采集时间。单个系统同步指令流向图如图3所示。
图3 系统同步指令流向图
2.3 多套子系统间数据同步方案
在保证单子系统内部数据同步的前提下，数据同步的核心问题是多子系统间的数据同步，因为子系统是独立运行，可以分别启动和停止，它们无法采用外部触发信号来进行同步采集。因此，利用GPS时钟保证每遍数据的采集绝对时钟的准确性，这要求所有采集系统采集到的每遍数据都具有一个与之对应的精确绝对时钟，在实时性能计算、显示和数据回放时都采用此时钟进行对齐。子系统间数据同步逻辑图如图4所示。
图4 子系统间数据同步逻辑图
子系统间数据同步逻辑图描述了数据从采集端发送到数据合成(总控)端的过程。首先，一个采集子系统中各个设备间的数据要进行一次简单的对齐，就是按照数据包顺序来对，因为采用了外部触发，各个采集设备开始采集的时刻是一致的，在不出现异常情况下，任何时刻，两个设备间采集到的数据包数最多会差一包，因此，我们遵循这样一个规则，在所有采集设备都采集到一包数据后，就把整个子系统中所有设备的数据封装成一个大包发往总控。异常情况下，当出现某个设备采集到的数据达到两包，而有其它设备没有数据的情况下，我们也会把有数据的设备最先采集到的数据包封装成一个包发往总控。总控端把数据发往监视端前也需要对各个设备数据进行对齐，采用的原则与采集端一样。
2.4 其他系统数据整合策略
高空模拟试验是一项复杂的大型试验，试验过程中需要常规系统以外的工艺系统、冷却水系统、进排气调节系统、发动机控制系统等系统的同时协作。为保证系统的独立、可靠运行，这些系统独立采用PLC进行控制和独立运行，系统之间互不干涉，保证系统的安全运行。这些系统的时钟也取决于系统中的GPS时钟源，利用GE、贝加莱公司的上位机软件的OPC 功能将数据实时的发送到主计算机，同常规系统数据一样分类进行数据入库管理。分析时所有的数据都按时间作为横坐标进行分析，数据不补点，按各个系统的采样率作图。动态系统及视频系统数据采用时间命名，只管理文件并提供检索功能，系统的时间用GPS系统的时间进行同步。
3 验证及结论
经过模拟测试和试验验证，同步后的数据完全反映了设备实际采集数据，提供给用户的数据是多系统、多设备的同一时间点的采集数据，能科学地给出不同系统时间同步精度和置信空间，满足试验数据分析要求。经过严格的论证,修正网络传输时延,使系统内设备可以同步在100~200μs的精度以内。
多系统时间同步后，通过数据库管理系统能满足各个系统之间数据的易交换、共享、联合分析，方便其他系统的接入，从而提高系统的扩展性，增强系统的适用性，对以后数据挖掘提供了一个可信的多数据源，经过数据积累，为数据联合分析和故障诊断创造了条件。
参考文献：
[1] LXI Stantard Revision1.1[S].www.lxistandard.org.
[2] LXI Consortium, Inc. LXI Standard Revision 1.0[S]. 2005.
[3] 王勇，李智君.网络化测控设备间的时间同步[J].仪器仪表学报，2006，27(9)
[4] Mills D. Network time protocol (Version 3),specifica-tions, implementation,and analysis.HTTP:∥ds . inter-nic. net/RFC/RFC1305.TXT. 1992-03.
[5] Mills D L. Internet time synchronization: the networktime protocol. IEEE Trans Communications, 1991.
