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绝对时间多通道数据同步采集系统

作者 P Włodarczyk，S Pustelny，D Budker，M Lipiński

摘要

本文描述了一种低成本、独立的全球定位时间同步数据采集系统。这个构建原型可以记录多达四个模拟信号和变量的范围，它有16位分辨率和1000S / s的最大采样率。此外，外部传感器可以获得两个数字读数。一套完整的数据被存储在一个安全的数字卡（SD卡）或使用通用串行总线（USB）发送到一台电脑。数据采集的时间估计的精度优于0.2plusmn; mu;s。设想装置在全球分布式传感器网络的使用（对外来物理光学磁力仪的全球网络–GNOME），其目的是寻找新的粒子和相互作用。

关键词

数据采集，同步，全球定位系统

1. 简介

许多现代实验需要在远程地点对各种物理量进行测量。例如这种测量是地球物理研究，特别是地球的地震活动的调查。地震波在不的地理观测站的同步检测不仅提供了有关信息地震的震级和震中，但也使深部的地质构造成像（地震断层摄影）[1]。这种测量的时间分辨率，但是，可以是相对低的（〜10 ^{- 4}多个），由于低地震波的速度（〜10公里/秒）[2]。各种天文天体物理和观测需要更好的时间分辨率（作为信号的传播速度通常可比的光的速度）。例如，需要一个微秒精度提高引力波的性能（参见，例如，参考. [3]）和中微子探测器[4]，但最精密的天文研究需要达到测量皮秒时间分辨率[5]。

如今，现场常规进行测量的时间分辨率为纳秒级。这样的精度可以通过商业原子钟的应用程序获得[ 6 ]。此外，亚纳秒级分辨率可以使用超冷原子（原子喷泉[ 7 ]和光学晶格[ 8 ]），被困离子[ 9 ]，或活动微波激射器标准[ 10 ]。最精确的时钟显示的是基于Al 离子，并正在运行的国家标准与技术研究院在博尔德，科罗拉多。该时钟提供的精度为10 ^{- 17} [ 9 ]。

准确的时间参考可以提供各种方式，这种参考和高精确度的分布对于远程实验的同步是一个挑战。目前，使用的时间分布的几种技术。例如，在互联网上的时间服务器的时间戳的分配[ 11 ]，这有利于数据交换计算机网络通信。此方案的全球精度，但是精度是不高（几十个毫秒）。通过无线时钟同步[ 12 ]，可以实现更好的精度。各种广播电台（WWV科罗拉多，RWM莫斯科，BPM蒲城等）播出时间序列，可用此方案。不幸的是，没有一个无线电时钟信号可以在地球上任何地方收到，因此由数千公里的实验分离的同步必须利用不同的信号站和基站中假设的相互同步的时钟。旁边这样的同步精度有限，额外的不确定性来自波动的传播无线电波穿越大气层的情况。因此，无线同步的精度可以在毫秒级实现（在传输延迟后）。时间最精确的方法利用光纤网络分布（见参考文献[ 13 ]和参考文献）。使用这种方法，时间可能是分布式的精度优于皮秒[ 14 ]。然而，这个解决方案，需要使用光纤网络，但不是任何情况都能用的（例如，用于在现场测量）和专用的应用设备（传感器、回热器、放大器等），这是不可以用的。这限制了普遍性解决方案。更差的精度可以提供全球定位系统（全球定位系统）。每个全球定位系统卫星搭载四颗被引用到地面主时钟的原子钟。问题是随着时间的分布，它是受地球大气的不同传输特性的影响。这可以通过对许多卫星信号的探测和特殊算法的应用实现缓解在纳秒级的时间精度。这种解决方案的一个重要的优势是全球“能见度”，卫星可以让全世界的时间相互换算。

在本文中，我们描述了一种廉价的自主时间标记的数据采集系统。该系统使由全球定位系统提供的四个模拟量和2个数字信道的同时测量。信号可能与采样率高达每秒1000个样本记录（1 kS/s），他们可以存储在内置的存储卡。内部存储器可使系统完全独立运行，该设备是使用一组按钮和一个屏幕安装在设备的前面板的控制和操作。这样的操作，但是，由于有限的存储卡的容量有限时间是可能的。由于这个原因，该装置还可以作为计算机系统的一部分进行操作。在这种情况下，通用串行总线（USB）允许设备的计算机通信，特别是设置采集参数，并使设备间有效率的数据传输。在这样的操作过程中，存储卡作为数据存储缓冲区，即确保连续的数据采集与计算机的通信。

1. 数据采集系统

我们的数据采集系统的框图如图1.系统是基于ARM7内核爱特梅尔微控制器，其作用在于处理时间基准，控制和同步数据采集，存储在存储卡中的数据，与通信用的计算机。微控制器还把液晶屏和显示器安装在该装置的前面板控制按钮。

在该系统中，时间基准是由一个GPS时间接收机（美国天宝 分辨率 T）的设置。该模块产生脉冲标记的第二次（每秒脉冲，PPS）为开始。为了获得精确的定时从第二次为开始，需要精确已知的GPS天线的位置。获得该信息通过平均位置测量之前自动同步时间的数据采集（2000位置测量）。获取关于该设备的位置，所述基准脉冲信息后被同步到GPS或UTC时间为45纳秒[15]的精度。

该GPS模块时间参考脉冲被发送给微处理器。每个脉冲后跟的是串行包含准确的时间信息的端口信息。此外，该消息包含可以是信息用于估计时间的可靠性，例如，“可见的”卫星和报告任何问题警告的数量。最后，它包含有关位置（经度，纬度和高度），温度，和其它辅助信息关于该模块的数据。

采集系统有四个隔离的模拟输入通道。每个通道都配有一个精确设计的OPA277运算放大器可选增益前置放大器和一个16位模拟数字变换器ADS8507（ADC）。前置放大器的应用确保了设备的通用性，即整个当使用的转换器的测量范围。微控制器，主频与其本地振荡器的频率48兆赫，产生触发ADC的脉冲。触发脉冲与GPS同步参考脉冲，以减少内部时钟的缓慢漂移。每次触发后，当ADC都准备好了，转换数据中的菊花链方式[16]被读出，串行外设接口总线（SPI）。的信道被读出以1 kS / s的和较低的采样率的不必要的样本不被保存的情况下的采样速率。同时，较慢的数字传感器（例如，温度计，磁力等）被读出具有最大每秒50个（50 S / s）的采样率。

所收集的数据都保存在安全数字（SD），使用FAT32文件系统格式化卡，它作用于作为缓冲剂。该数据也发送到计算机（如果可用）通过USB。支持SD卡，FAT32和USB是基于开源库实现（[17，18]）。

图.1 数据采集系统的框图。全球定位系统接收器每秒提供同步脉冲。微控制器生成用于触发模数转换器1千赫脉冲，采样的输入信号在高达4个通道。通过含有有效的GPS信息的报头之前的采样数据被缓冲在SD存储卡和通过USB被发送到计算机。

1. 同步算法

图2显示出了在我们的数据采集系统中使用的时间序列。收购是由瑞星启动一个时间参考脉冲（PPS）的边缘。脉冲触发最高优先级的中断，被称为FIQ[19]，启动这个服务程序。该程序重置用于触发ADC的定时器/计数器。在接下来的第二步，定时器/计数器复位每一个达到C频率的周期时间。 C的值被选择以这样的方式将c时钟周期对应于1毫秒（最好48000次，见下文）。当定时器/计数器复位，ADC的触发脉冲产生和采样和转换被启动。应当指出的是在我们的系统，在所有信道的信号被采样为仅5纳秒，而它们的转换需要高达25微秒。 之后的转换时，微控制器读取转换后的数据，这是在一高优先级的中断来实现。

一个给定的第二内的最后（1000个）样本的测量禁止定时器/计数器复位（它仍然会增加每个时钟周期），并介绍了微控制器进入等待模式（等待下一次同步脉冲）。当脉冲到达时，定时器/计数器值首先读取，然后它立即复位。如果本地时钟具有其标称频率（48兆赫），读出的值应等于C，其对应于1毫秒。如果不是，C和测量的周期数之间的差用于调节C.这种技术补偿的本地振荡器频率的可能漂移，即它确保了记录样品被均匀地分布在时间1毫秒它们之间的间距。

除了在检测到的模拟信号，经过一个固定数量的ADC样本，从辅助数据的数字传感器读取。该发送具有较低优先权，并且可以通过ADC服务中断常规。所述数字传感器的更新速率取决于它们的速度，但通常是低，e.g.，在系统中一次的第二和磁场的读取使用50 S / s的采样率的温度进行采样。

图.2 时间同步的GPS序列数据采集（不按比例）。该FIQ中断的零，定时器/计数器和本地时钟同步到GPS时间参考。定时器/计数器触发的ADC每毫秒（在实践中每一个C时钟周期）。 ADC的触发脉冲开始模拟数据采集有由于进入中断软件延时T秒。大约5纳秒的信号进行采样（垂直箭头朝上）和然后由ADC的转换时间的T C转换。接着，数据被移出ADC的。当所有ADC数据被读取，低优先级的数字传感器可提供服务（大矩形）。为了校正的本地时钟频率漂移，定时器/计数器的值在每个秒结束测量。如果计数器的读出不同于预期值C（三角形的阴影部分），第二次的时钟分割（旨在为1毫秒周期）被调整，以考虑漂移。它保证了ADC样本的更均匀的分布。

在整个第二，从模拟输入和数字传感器数据被存储在位于一个缓冲，微控制器随机存取存储器（RAM）。第二采集完成后，所收集的样品相结合，与GPS数据（时间，位置，警告等），并在安全数字（SD）卡保存充当半永久缓冲器。在我们的方案中，数据被保存为分钟长的文件（文件大小高达1.8MB）在可读的文本格式。保存在SD卡上的文件，通过最基本的方式，不断通过USB发送到计算机。如果USB未连接和SD卡的空间不足时，最旧的文件是覆盖（为一个4 GB的SD卡，缓冲液是长达20小时长）。建立的USB传输后，数据交换恢复。 USB数据传输，实现低优先级的进程在持续运行ADC和数字传感器读数之间的时间。

1. GPS同步数据采集的精度

虽然数据采集与GPS时间基

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