基于秒脉冲的时钟同步的数据采集装置、系统及方法与流程

本发明一般涉及电子，特别涉及一种基于秒脉冲的时钟同步的数据采集装置、系统及方法。

背景技术：

1、在采集信号相位信息非常敏感且采样点位物理距离较远的采集应用中，例如：长管线的泄露监测、大型建筑(桥梁)健康状态及模态监控、大规模麦克风阵列、地震地动监测等，一般采集噪声或震动信号，采样率在51.2～200k sps。主要信息靠各通道获取信号的相位差获得，例如管线的渗漏，可以依靠两个测点信号做相关运算得到，其相位差可以换算成距离，从而得到漏点的实际位置。测点的间距，从几米到几十公里不等。对于采集的相位精度要求，在1khz正弦信号下，要求通道间相位测量误差在0.5度以内，换算成时间为1.39us。

2、现有系统级的解决方案主要有三种：

3、1.使用线缆进行同步：以高速数字接口(dio)加同轴线缆传输的方式，将同步信号传送到各采样点。好处是实现比较简单，通道间延时可以通过计算线缆长度进行补偿；缺点是：线缆成本高，实际现场操作复杂，仅适用于应用场景不大(100米内)的情况，例如大楼的永久性健康监测、对风机进行噪声定位的大型麦克风阵列等。

4、2.使用全球导航卫星系统(gnss)驯服时钟源，以gnss的秒脉冲(pps)信号对高稳定度的振荡源进行驯服，作为采样主时钟，同时以pps的脉冲沿作为分频时钟和起始信号同步信号。好处是现场布置简单，精度也有保证(民用级pps信号精度在±100ns)；缺点是实现成本很高，gnss驯服时钟一般售价都不低。

5、3.使用ieee1588进行同步，这是一种对标准以太网终端设备进行时间和频率同步的协议，可以达到亚微秒同步精度。好处是硬件实现比较简单，同步精度基本也可以满足使用要求；缺点是必须有网络链接，同时软件实现方面比较复杂，需要适配ieee1588协议，物理层phy也有特定的要求。

6、目前的采集方案中没有芯片级的解决方案。

技术实现思路

1、本说明书实施方式的目的在于提供一种基于秒脉冲的时钟同步的数据采集装置、系统及方法，提供一种芯片级的信号同步采样的解决方案。

2、本技术公开了一种基于秒脉冲的时钟同步的数据采集装置，包括：

3、直接数字式频率合成器，用于接收外部晶振产生的时钟源，并且由所述时钟源驱动并根据倍频参数产生基础时钟；

4、第一分频器，用于接收外部输入的秒脉冲信号并进行分频产生门闸信号；

5、计数器，用于接收所述门闸信号和所述基础时钟并计算门闸信号的一个期间内所述基础时钟的个数；

6、控制器，用于比较所述计数器的计算值与设定值以获取所述计算值与所述设定值之间的差值，并且，根据所述差值调整所述倍频参数；

7、第二分频器，用于接收所述基础时钟并进行分频以获得驱动时钟；以及

8、模数转换器，用于接收所述驱动时钟并进行采样。

9、在一个优选例中，所述控制器还用于接收所述秒脉冲信号，根据所述秒脉冲信号对所述第二分频器进行复位并将下一个秒脉冲信号作为所述模数转换器的起始信号。

10、在一个优选例中，所述秒脉冲信号由gnss模块提供，所述基础时钟经所述第二分频器分频产生的驱动时钟的周期为所述秒脉冲信号的周期的1/q，其中，q为期望的采样脉冲周期。

11、在一个优选例中，所述外部晶振产生的时钟源的频率为6mhz、8mhz或12mhz。

12、本技术还公开了一种基于秒脉冲的时钟同步的数据采集系统，包括：

13、gnss模块，用于提供秒脉冲信号；

14、分布于不同位置的多个数据采集装置，所述数据采集装置包括：

15、直接数字式频率合成器，用于接收外部晶振产生的时钟源，并且由所述时钟源驱动并根据倍频参数产生基础时钟；

16、第一分频器，用于接收外部输入的秒脉冲信号并进行分频产生门闸信号；

17、计数器，用于接收所述门闸信号和所述基础时钟并计算门闸信号的一个期间内所述基础时钟的个数；

18、控制器，用于比较所述计数器的计算值与设定值以获取所述计算值与所述设定值之间的差值，并且，根据所述差值调整所述倍频参数；

19、第二分频器，用于接收所述基础时钟并进行分频以获得驱动时钟；

20、模数转换器，用于接收所述驱动时钟并进行采样；

21、微处理器，用于接收所述秒脉冲信号并在接收到所述秒脉冲信号时从所述模数转换器读取采样的信号，并且，在读取的采样信号中加入时间戳。

22、在一个优选例中，所述控制器还用于接收所述秒脉冲信号，根据所述秒脉冲信号对所述第二分频器进行复位并将下一个秒脉冲信号作为所述模数转换器的起始信号。

23、在一个优选例中，所述外部晶振产生的时钟源的频率为6mhz、8mhz或12mhz。

24、本技术还公开了一种基于秒脉冲的时钟同步的数据采集方法，包括：

25、通过直接数字式频率合成器接收外部晶振产生的时钟源并根据倍频参数产生基础时钟；

26、通过第一分频器接收外部输入的秒脉冲信号并进行分频产生门闸信号；

27、通过计数器接收所述门闸信号和所述基础时钟并计算门闸信号的一个期间内所述基础时钟的个数；

28、通过控制器比较所述计数器的计算值与设定值以获取所述计算值与所述设定值之间的差值，并且，根据所述差值调整所述倍频参数；

29、通过第二分频器接收所述基础时钟并进行分频以获得驱动时钟；以及

30、通过模数转换器接收所述驱动时钟并进行采样。

31、在一个优选例中，还包括：通过所述控制器接收所述秒脉冲信号，并且根据所述秒脉冲信号对所述第二分频器进行复位并将下一个秒脉冲信号作为所述模数转换器的起始信号。

32、本技术还公开了一种基于秒脉冲的时钟同步的数据采集方法，包括：

33、通过微处理器指令分布于不同位置的多个数据采集模块的控制器获取直接数字式频率合成器输出的基础时钟在由秒脉冲信号分频产生的门闸信号的一个期间内的计算值与设定值之间的差值；

34、当所述差值在可接受区间时，通过所述微处理器指令所述控制器在下一个秒脉冲信号时复位所述数据采集模块的第二分频器；

35、通过所述微处理器指令所述控制器在下一个秒脉冲信号时启动所述数据采集模块的模数转换器并以所述基础时钟分频产生的驱动时钟进行采样；

36、通过所述微处理器在每一个秒脉冲信号时读取所述模数转换器采样的信号并进行缓存，并且，从gnss模块获取时间戳并在读取的采样信号中加入时间戳。

37、本技术实施方式与现有技术相比，至少具有以下区别和效果：

38、本技术提供一种芯片级的信号同步采样的解决方案，使用秒脉冲信号(pps)调整dds的输出，获得锁定到pps信号的基础时钟，以此解决晶振个体输出频率差异及长期稳定度的问题。然后，使用pps信号对第二分频器和adc的起始信号进行同步，从而实现基础时钟、分频时钟和起始时钟同步。

39、本技术的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本技术所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本技术上述
技术实现要素：
中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征a+b+c，在另一个例子中公开了特征a+b+d+e，而特征c和d是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征e技术上可以与特征c相组合，则，a+b+c+d的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而a+b+c+e的方案应当视为已经被记载。