CN109088635A - 一种多通道时钟同步采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多通道时钟同步采集系统，包括信号源、功率分配器、N个采集预处理阵列和信号处理存储装置，N大于等于1；信号源输出连续模拟时钟信号进入功率分配器后分为N路完全相同的模拟时钟信号，N路模拟时钟信号分别进入采集预处理阵列，采集预处理阵列以收到的模拟时钟信号作为采样时钟，同步采集外部输入的传感器信号，将外部输入的传感器信号转换成数字信号，对数字信号进行降频、降采样和数据位宽调整处理得到数字物理量，之后，数字物理量输出至信号处理存储装置，信号处理存储装置将获得的多路数字物理量分别进行存储，并对多路数字物理量进行识别、综合分析，进而得到数字物理量对应的外部环境整体表征。

Description

一种多通道时钟同步采集系统

技术领域

本发明涉及多通道时钟同步领域，具体涉及一种多通道时钟同步采集系统。

背景技术

时钟同步技术在工业、科研、国防、航天等部门已得到广泛应用，通过提供定时与同步技术，根据不同的设备仪器要求提供不同的采样速率和工作频率，以保证每台设备能够在正确的时钟边缘工作。随着信息处理技术的发展，对数据采集的要求也越来越高。单通道模数转换器(AD)采样已不能满足通讯、仪表、雷达、电子战等行业需求，这促进了多通道高速AD同步采样技术的长足发展与进步。

同步就是指两个或两个以上信号之间，在频率或相位上保持某种特定关系，即两个或两个以上信号在相对应的有效瞬间，其相位差或频率差保持在约定的允许范围之内。建立同步的目的是为了将其时间或频率作为定时基准信号分配给通信网中所有需要同步的网元设备和业务。同步又分为频率同步和时间同步，其中时间同步也称为相位同步。频率同步是指信号之间的频率或相位上保持某种严格的特定关系，其相对应的有效瞬间以统一平均速率出现，以维持设备以相同的速率运行。而时间同步除了要求信号具有相同的时间间隔，还要求时间的起始点相同。

目前对时钟同步的研究文献相对偏少，采用的时钟同步方案具有一定的局限性，如采用主板对从板输出触发信号的方式实现板间时钟同步，此方法可以实现从板之间的时钟同步，但主板和从板之间无法保持时钟同步；采用高速时钟分配芯片设计多通道时钟同步采集方法，但该方法控制电路结构复杂，同时多通道AD阵列单板无法单独使用，灵活性较差；多个外部时钟源输入，根据时钟源精确度优先级进行分配，并选择优先级最高的时钟源作为输入时钟，同时还需要专门设计时钟管理接口板，此方法不仅增加系统的硬件成本，同时主控板在单独使用时，还需要进行复杂的硬件改动，灵活性和适应性较差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：相比于现有技术，提供了一种多通道时钟同步采集系统，使得电路结构简单，无主从板之分，便于安装调试；同时系统可扩展性和适应性良好。

本发明的技术解决方案是：一种多通道时钟同步采集系统，该系统包括信号源、功率分配器、N个采集预处理阵列和信号处理存储装置，N大于等于1；

其中，信号源输出连续模拟时钟信号进入功率分配器后分为N路完全相同的模拟时钟信号，N路模拟时钟信号分别进入采集预处理阵列，采集预处理阵列以收到的模拟时钟信号作为采样时钟，同步采集外部输入的传感器信号，将外部输入的传感器信号转换成数字信号，对数字信号进行降频、降采样和数据位宽调整处理得到数字物理量，之后，数字物理量输出至信号处理存储装置，信号处理存储装置将获得的多路数字物理量分别进行存储，并对多路数字物理量进行识别、综合分析，进而得到数字物理量对应的外部环境整体表征。

该系统还包括：显示终端，所述显示终端与所述信号处理存储装置相连接，读取信号处理存储装置识别和分析结果，并进行显示。

采集预处理阵列由M个信号采集预处理装置组成，所述采集预处理装置包括时钟分配器、AD采集阵列以及预处理模块，其中，AD采集阵列由r路AD采集通道组成，所述r大于等于；

模拟时钟信号进入时钟分配器，经时钟分配器输出r路相同的时钟信号，AD采集阵列中，r路AD采集通道同时在r路相同的时钟信号的驱动下，对外部输入的模拟传感器信号进行同步模数转换，将其变成数字信号，并将转换后的信号输出至预处理模块，预处理模块对收到的数字信号进行降采样、滤波和数据位宽调整处理得到数字物理量输出。

所述信号采集预处理装置还包括晶振和时钟选择器，晶振用来产生第二时钟信号，该第二时钟信号与功率分配器输出的模拟时钟信号经时钟选择器选通后输出至时钟分配器。

所述采集预处理阵列分别位于不同的板卡上，每个采集预处理阵列的输入端与功率分配器输出端之间的布线延迟相等。

所述时钟分配器的输出端与每一个AD采集通道的输入端之间的布线长度相等。

所述功率分配器为同轴式功率分配器。

所述信号处理存储装置包括信号处理模块和数据存储模块，其中：

信号处理模块采用串行数字处理方法对所述采集预处理阵列输入的多路数字物理量进行循环读取，并进行数字物理量识别以及多物理量融合分析，进而得到数字物理量所对应的外部环境整体表征信息；

数据存储模块将数字物理量所对应的外部环境整体表征信息采用串行方式进行存储。

所述功率分配器为同轴式功率分配器。

所述信号处理存储装置包括信号处理模块和数据存储模块，其中：

信号处理模块采用串行数字处理方法对所述采集预处理阵列输入的多路数字物理量进行循环读取，并进行数字物理量识别以及多物理量融合分析，进而得到数字物理量所对应的外部环境整体表征信息；

数据存储模块将数字物理量所对应的外部环境整体表征信息采用串行方式进行存储。

预处理模块包括降采样模块、插值滤波模块、位宽调整模块。

降采样模块，用于对数字信号进行降采样处理；

插值滤波模块，将降采样处理之后的数字信号进行插值并采用FIR低通滤波；

插值滤波模块，将降采样处理之后的数字信号进行插值并采用FIR低通滤波；

位宽调整模块，对滤波输出的数字信号无效位进行截取处理。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明设计的多通道时钟同步采集方法，所需外部元器件较少，且高度集成化，引入噪声少，便于现场安装调试；

(2)、本发明设计的多通道时钟同步采集方法，AD通道的工作数量可灵活调整，且每个通道性能一致，可以满足不同采样环境下的使用需求；

(3)、本发明实现的各采集预处理装置完全相同，不存在主从之分，安装调试方便快捷，无需专门标识；

(4)、本发明的单独采集预处理装置也可正常工作，采用自带的外部晶振，改变时钟选择器的开关方向即可，具有良好的适应性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种多通道时钟同步采集系统的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1示出了本发明实施例提供的一种多通道时钟同步采集系统结构图。如图1所示，该一种多通道时钟同步采集系统结构包括信号源1、功率分配器2、N个采集预处理阵列10、信号处理存储装置11和显示终端12，N大于等于1。

信号源1输出连续模拟时钟信号进入功率分配器2后分为N路完全相同的模拟时钟信号，N路模拟时钟信号分别进入采集预处理阵列10，采集预处理阵列10以收到的模拟时钟信号作为采样时钟，同步采集外部输入的传感器信号，将外部输入的传感器信号转换成数字信号，对数字信号进行降频、降采样和数据位宽调整处理到数字物理量，之后，数字物理量输出至信号处理存储装置11，信号处理存储装置11将获得的多路数字物理量分别进行存储，有助于查阅或后续数据的离线分析处理，并对多路数字物理量进行识别、综合分析，进而得到数字物理量对应的外部环境整体表征，显示终端12与所述信号处理存储装置11相连接，读取信号处理存储装置11识别和分析结果，并以图形的方式进行显示。具体实施时，信号源1具有良好的环境稳定性，保持频率准确度小于等于1.5ppm，输出信号的波形、频率和幅值可调，信号输出接口可以采用BNC或SMA方式；功率分配器2建议选用阻抗为50欧姆的常用器件，实现器件之间连接时的阻抗匹配，减少信号衰减，同时采集预处理阵列10若用于对室外多传感器系统进行信号采集，建议选用同轴式功率分配器，现场使用调试方便，便于操作，并可以增加系统连接的稳定性与可靠性；此外，功率分配器2输出信号的通道数量应大于等于信号采集预处理装置3的数量，同时功率分配器2和信号采集预处理装置3之间的信号接口采用SMA方式，并且信号线具有良好的电磁屏蔽作用，使屏蔽系数小于等于0.8且长度相同；采集预处理阵列10采用网口或CPCI接口方式输出数据至信号处理存储装置11。

采集预处理阵列10由M个信号采集预处理装置3组成，所述采集预处理装置3包括时钟分配器5、AD采集阵列8以及预处理模块9，其中，AD采集阵列8由r路AD采集通道7组成，所述r大于等于1；具体实施时，若干个信号采集预处理装置3应属于同一批次，有效保证r相等、AD采集通道7采样速率相同、采集预处理装置3功耗相等、晶振4输出的时钟信号相同等性能和指标的一致性；并且若干个信号采集预处理装置3在安装时需满足电磁兼容，在0.5MHz～5MHz范围内，电源端子骚扰电压值峰值小于56dB(μV)，并具有良好的散热特性，保持使用环境温度小于等于40℃；信号采集预处理装置3需具有单独外部供电接口，满足独立工作时的供电使用要求。

模拟时钟信号进入时钟分配器5，经时钟分配器5输出r路相同的时钟信号，AD采集阵列8中，r路AD采集通道7同时在r路相同的时钟信号的驱动下，对外部输入的模拟传感器信号进行同步模数转换，将其变成数字信号，并将转换后的信号输出至预处理模块9，预处理模块对收到的数字信号进行降采样、滤波和数据位宽调整处理得到数字物理量输出。

所述信号采集预处理装置3还包括晶振4和时钟选择器6，晶振4用来产生第二时钟信号，该第二时钟信号与功率分配器2输出的模拟时钟信号经时钟选择器6选通后输出至时钟分配器5。采集预处理装置3独立工作时，时钟选择器6关闭来自于功率分配器2的模拟信号通道，选通来自于外部晶振4的时钟信号；采集预处理装置3独立工作结束后，如需还原最初状态，只需将时钟选择器6选通功率分配器2的模拟信号通道，并关闭来自于外部晶振4的时钟信号；这样，AD采集通道7既可以实现低速信号采集，也可以实现高速信号采集，同时AD采集通道7在高速信号采集时，采集速率可调，以满足不同使用环境的要求。

所述采集预处理阵列10分别位于不同的板卡上，每个采集预处理阵列10的输入端与功率分配器2输出端之间的布线延迟相等。

所述时钟分配器5的输出端与每一个AD采集通道7的输入端之间的布线长度相等。具体的，若干个AD采集通道7的电路结构和参数完全一致。

作为优选方案，所述功率分配器2为同轴式功率分配器。

所述信号处理存储装置11包括信号处理模块和数据存储模块，其中：

信号处理模块采用串行数字处理方法对所述采集预处理阵列10输入的多路数字物理量进行循环读取，并进行数字物理量识别以及多物理量融合分析，进而得到数字物理量所对应的外部环境整体表征信息；外部环境整体表征信息既可以是外部环境一维信息(温度、湿度、压力等)，也可以是外部环境物理量代表的多维信息(方位、形状、状态等)。

数据存储模块将数字物理量所对应的外部环境整体表征信息采用串行方式进行存储。

预处理模块9包括降采样模块、插值滤波模块、位宽调整模块。

降采样模块，用于在保持信号处理精度的前提下对数字信号进行降采样处理，降低后续插值滤波处理进行乘法处理的资源占用率。

插值滤波模块，将降采样处理之后的数字信号进行插值并采用FIR低通滤波；插值滤波处理后输出的数据位宽变大，并且高位部分属无效位，对后续信号处理不起作用，采用位本发明设计的多通道时钟同步采集方法，所需外部元器件较少，且高度集成化，引入环境噪声少，便于现场安装调试，并且关键元器件属于无源器件，降低了器件的损坏率；本发明设计的多通道时钟同步采集方法，AD通道的工作数量可灵活调整，且每个通道性能一致，可以满足不同采样环境下的使用需求，输入接口操作简单；本发明实现的各采集预处理装置完全相同，不存在主从之分，安装调试方便快捷，无需专门标识，不会出现采集预处理装置位置错误的现象；本发明的单独采集预处理装置也可正常工作，采用装置自带的外部晶振，改变时钟选择器的开关方向即可，具有良好的适应性。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多通道时钟同步采集系统，其特征在于：包括信号源(1)、功率分配器(2)、N个采集预处理阵列(10)和信号处理存储装置(11)，N大于等于1；

其中，信号源(1)输出连续模拟时钟信号进入功率分配器(2)后分为N路完全相同的模拟时钟信号，N路模拟时钟信号分别进入采集预处理阵列(10)，采集预处理阵列(10)以收到的模拟时钟信号作为采样时钟，同步采集外部输入的传感器信号，将外部输入的传感器信号转换成数字信号，对数字信号进行降频、降采样和数据位宽调整处理得到数字物理量，之后，数字物理量输出至信号处理存储装置(11)，信号处理存储装置(11)将获得的多路数字物理量分别进行存储，并对多路数字物理量进行识别、综合分析，进而得到数字物理量对应的外部环境整体表征。

2.根据权利要求书1所述的一种多通道时钟同步采集系统，其特征在于还包括：显示终端(12)，所述显示终端(12)与所述信号处理存储装置(11)相连接，读取信号处理存储装置(11)识别和分析结果，并进行显示。

3.根据权利要求书1所述的一种多通道时钟同步采集系统，其特征在于采集预处理阵列(10)由M个信号采集预处理装置(3)组成，所述采集预处理装置(3)包括时钟分配器(5)、AD采集阵列(8)以及预处理模块(9)，其中，AD采集阵列(8)由r路AD采集通道(7)组成，所述r大于等于1；

模拟时钟信号进入时钟分配器(5)，经时钟分配器(5)输出r路相同的时钟信号，AD采集阵列(8)中，r路AD采集通道(7)同时在r路相同的时钟信号的驱动下，对外部输入的模拟传感器信号进行同步模数转换，将其变成数字信号，并将转换后的信号输出至预处理模块(9)，预处理模块对收到的数字信号进行降采样、滤波和数据位宽调整处理得到数字物理量输出。

4.根据权利要求书3所述的一种多通道时钟同步采集系统，其特征在于所述信号采集预处理装置(3)还包括晶振(4)和时钟选择器(6)，晶振(4)用来产生第二时钟信号，该第二时钟信号与功率分配器(2)输出的模拟时钟信号经时钟选择器(6)选通后输出至时钟分配器(5)。

5.根据权利要求1所述的一种多通道时钟同步采集系统，其特征在于：所述采集预处理阵列(10)分别位于不同的板卡上，每个采集预处理阵列(10)的输入端与功率分配器(2)输出端之间的布线延迟相等。

6.根据权利要求1所述的一种多通道时钟同步采集系统，其特征在于：所述时钟分配器(5)的输出端与每一个AD采集通道(7)的输入端之间的布线长度相等。

7.根据权利要求1所述的一种多通道时钟同步采集系统，其特征在于：所述功率分配器(2)为同轴式功率分配器。

8.根据权利要求1所述的一种多通道时钟同步采集系统，其特征在于：所述信号处理存储装置(11)包括信号处理模块和数据存储模块，其中：

信号处理模块采用串行数字处理方法对所述采集预处理阵列(10)输入的多路数字物理量进行循环读取，并进行数字物理量识别以及多物理量融合分析，进而得到数字物理量所对应的外部环境整体表征信息；

数据存储模块将数字物理量所对应的外部环境整体表征信息采用串行方式进行存储。

9.根据权利要求1所述的一种多通道时钟同步采集系统，其特征在于：所述信号处理存储装置(11)包括信号处理模块和数据存储模块，其中：信号处理模块采用串行数字处理方法对所述采集预处理阵列(10)输入的多路数字物理量进行循环读取，并进行数字物理量识别以及多物理量融合分析析，进而得到数字物理量所对应的外部环境整体表征信息；

数据存储模块将数字物理量所对应的外部环境整体表征信息采用串行方式进行存储。

10.根据权利要求1所述的一种多通道时钟同步采集系统，其特征在于：预处理模块(9)包括降采样模块、插值滤波模块、位宽调整模块。

降采样模块，用于对数字信号进行降采样处理；

插值滤波模块，将降采样处理之后的数字信号进行插值并采用FIR低通滤波；

插值滤波模块，将降采样处理之后的数字信号进行插值并采用FIR低通滤波；

位宽调整模块，对滤波输出的数字信号无效位进行截取处理。