一．分布式实时采集系统概述

      东海大桥由于身处外海海域，不仅需要经受海水腐蚀、地震台风自然灾害、还有各种通行工具对桥梁结构造成缓慢的损害。对桥梁进行实时监测，为了及时获知桥梁的健康状况，对各种突发时间做出响应，以及进行必要的养护工作，延长桥梁的使用寿命。监测数据还能进行进一步研究分析，对桥梁的基础研究具有非常大的帮助。

      为什么要使用时钟同步技术？由于桥梁属于较为特殊的结构，构造范围很广，监测点分散在各处，很多监测项目又具有实时性的特点，例如地震、台风、交通事故等等，对于各部位监测数据需要非常准确的时间同步，一般的数据采集技术难以达到监测要求，如果不采用时钟同步技术，极有可能造成各个监测点采集数据时间上的微小误差，不仅造成监测结果的不准确，还严重影响了对桥梁健康的研究分析。而通过GPS时钟同步技术完全可以避免这些问题。

      二．GPS PPS技术和其他时钟同步技术介绍与比较

      如图1所示，整个采集系统分散在桥梁的各个部位。桥梁按照区域划分为若干区段，在主要几个区段中安置着信号采集机站，各个采集机站之间相距几公里甚至十几公里，每组采集机站均和GPS同步时钟接受器相连，GPS PPS接收器接受GPS时钟同步信号，做相应的处理得到时钟同步信号和绝对时间戳并发送给PXI采集设备，采集设备接收处理后的GPS同步信号，达到同步整个分布式采集系统。

图1 桥梁健康监测系统的预警监测图

      这里说的时钟同步有2方面含义：

数据采样频率的同步，包括采样时钟信号的脉冲同步以及相位同步。

时间轴上的同步，即采样点时间标签的同步。

只有2方面都达到同步，才能称为真正的同步采集。

目前除了GPS PPS时钟同步技术方案外，主要还有其他2种时钟同步技术方案：

      1. 机箱直连时钟同步技术：

      主要采用了PXI-6653时钟同步模块的时钟频率共享技术，每个采集设备中都装有PXI 6653时钟同步模块，然后用同轴电缆把各个采集设备的6653模块相连，以其中一个模块作为主模块，其余的作为从模块；主模块内部的时钟信号通过同轴电缆同步从模块内部的时钟信号，PXI-4472B都用次信号作为采样时钟。时间戳同步可以采用网络时间服务器。

      2. GPS IRIG-B时钟同步技术：

      该技术与GPS PPS技术极为相似，都是通过GPS接收器接收GPS同步信号，做相应的处理并发送给采集设备做采集同步，和GPS PPS所不同的是IRIG-B时钟同步信号中含有绝对时间，需要由PXI-6608来接收该信号，并将其解析为可用的时间戳。

      3. 三种时钟同步技术的比较：

      1) 适用性

      机箱同步技术由于电缆的局限性，距离过长会导致信号衰减，很难做到公里级数的时钟同步采集，所以在本系统中无法适用。而GPS PPS和GPS IRIG-B技术都采用卫星来作为同步时钟信号传输的载体，可以做到无地域限制的同步采集，符合本系统的同步需求。

      2) 准确性

      机箱同步技术采用主从时钟模块同步的方式，以一个时钟模块的内部时钟作为其余时钟模块的参考时钟，虽然理论上同步的准确性可以保证，但是由于信号通过电缆作为载体发送，长时间运行后，电缆的自身老化以及外部的突发事件是否会对信号的造成干扰，不得而知。而其它2种GPS技术，在时钟信号的传输上都采用卫星无线发送，极少极少会受到信号干扰，唯一需要担心的是信号接收天线的维护。

      3) 成本对比

      机箱同步技术由于无需额外的GPS信号接收设备，所以成本最低。GPS
IRIG-B技术不仅需要额外采用相对昂贵的PXI-6608，还须包括GPS IRIG-B信号接收器的成本。而GPS PPS可以把PXI-6608换成便宜的PXI-6602，PXI-6653换成PXI-6652，并且GPS PPS信号接收器的成本远远低于GPS IRIG-B。

      三．GPS PPS时钟同步技术的系统组成

      该系统主要由GPS接收器和NI PXI采集设备2大部分组成。结构如图2：

图2 GPS PPS时钟同步系统组成图

      1. GPS接收器系统组成

      GPS同步时钟接收器的输入端连接着一个GPS信号接受天线，接受来自GPS卫星发送的时钟信号，输出端分为3部分：

      10M PPS（Pulse Per Second）信号：用于同步采集系统，作为采集系统的采样基频。此信号不包含任何的时间信息，仅仅为简单的脉冲信号，脉冲间隔为10纳秒。

      1 PPS（Pulse Per Second）信号：用于采集系统触发采集使用，此信号同上，仅仅为简单的脉冲信号，脉冲间隔为1秒。

      绝对时间（GMT）信号：用于替代采集系统自身的时间标签，此信号采用NEMA标准。

      对于PPS（Pulse Per Second）信号，如图所示，它是一个很简单的，不包含任何时间信息（年或月之类）的脉冲信号，以1 PPS为例，每秒发生1次脉冲，每个脉冲的宽度通常为100毫秒，PPS信号是一种较为简单的同步技术，但其效果却不亚于任何复杂的同步时钟信号。 

      绝对时间信号，该信号采用NEMA标准，表现形式为GMT时间，以字符串方式显示，例如"06.001….."，其中第一部分为年份，第二部分为年中天数，第三部分为一天的具体时间，精确到秒级。

      2. PXI采集设备系统组成

      PXI采集设备采用NI PXI-1045 18槽机箱，NI PXI-8187主控制器为主，采集卡为NI PXI 6652、6602、4472B，其中：

      PXI 6652时钟同步模块采用NI提供的SMB接口与GPS接收器的10M PPS输出端相连，接收10M PPS时钟信号，并且将此时钟信号进行分频，把分频后的时钟信号提供到PXI机箱背板，提供给高速同步采集卡PXI 4472B作为采样时钟频率。

      PXI-6602计数器采用接线段子板与GPS接收器的1 PPS输出端相连，需要同时接入2个输入端口，都接收1 PPS信号，第一个输入端收到信号后，按1 PPS频率进行计数，并设定采集时间，当达到采集的起始时间，PXI-6602提供触发信号，触发PXI-4472B开始采集；第二个输入端的1 PPS频率脉冲为4472B提供相位同步触发脉冲。

      PXI-8187控制器的标准232串口与GPS接收器的绝对时间输出端相连，接收GPS接收器提供的绝对时间信息，并计算每个采样点的时间间隔＋触发开始的绝对时间来获取该采样点的绝对时间标签。

      需要注意的是，PXI-6652采集卡必须插在机箱的第二个槽位，即主控制器相邻的槽位，否则时钟同步无效。

图3 GPS PPS信号接收器硬件组成图

图4 PXI 工控机箱硬件组成图

      四．系统的设计与实现

      该系统的软件开发是以LabVIEW 7.1为平台，并配以NI-SYNC开发工具包。采用PXI-1045 18槽机箱，PXI-8187主控制器，PXI-6652时钟同步模块，PXI-6602计数器模块，PXI-4472B动态信号采集卡等作为硬件基础。

      开发人员则通过NI-SYNC时钟同步开发工具包以及LabVIEW DAQmx采集模块对相关硬件进行开发。

      1. 获取GPS时钟同步信号首先通过NI-SYNC开发工具包提供的编程模块对PXI-6652进行相应配置。开启6652的PLL锁相环以及PLL频率，设置10M PPS信号的输入端获取同步时钟信号，对时钟信号分频，将分频后时钟信号发布到机箱背板的PXI_STAR信号线上进行时钟频率脉冲同步，并将PXI_Trig2触发线（源）连接到PXI_Trig5触发线上，以同步频率时钟为触发频率进行相位同步的设置。

      2. 配置6602计数器模块通过LabVIEW DAQmx模块对PXI 6602进行配置，首先设置6602的第2个1 PPS输入端将信号发送给PXI_Trig2给4472B的相位同步做准备，然后设置6602的第1个1 PPS输入断将信号发送给PXI_Trig0作为4472B触发采集信号，最后根据定时触发采样的时间戳，设置6602倒计时器的初始数值，倒计时开启触发采样。
3. 触发4472B动态信号采集卡通过LabVIEW DAQmx模块，将PXI_STAR信号线作为4472B的采样时钟频率源的时钟频率，将PXI_Ttrig5信号线作为相位同步源；并设置PXI_TRIG0信号通过6602的计时触发信号开启4472B的采集工作。

      如图5所示，完成所有设置，并开启采集任务后，按照预定的采集时间，采集设备自动同步开始采集。经检验，采样数据无论从采样时钟同步还是相位同步都达到了预期的要求。

图5 GPS时钟同步采集系统测试界面

      五．总结与展望

      本系统采用了目前技术领先的GPS PPS时钟同步技术，以及NI模块化数据采集设备。

      通过对现有的采集同步技术进行一系列对比，从适用性、准确性、成本等多方面考虑，GPS PPS时钟同步技术具有相当的优势，并倚靠LabVIEW强大的开发平台进行设计，成功的完成了整个采集系统设计，达到了最初的设计功能指标，节约了大量的人力物力成本。

      GPS同步技术经过多年的发展以及大量应用，现在已经有了比较成熟的开发方案，与现有的NI采集系统相结合开发，对于大型分布式采集系统，有着得天独厚的优势，不仅打破了原有时钟同步技术的地域局限，并且在完成相同功能的情况下，降低了GPS技术的开发成本。该系统目前已经全部开发完成并投入了正式的运行，对东海大桥的健康安全起着至关重要的作用，得到了业主以及相关桥梁研究人员的肯定；除了桥梁健康监测以外，其他一些大型结构项目的健康监测也完全适用于该系统，应用前景非常广阔。