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具有绝对时间同步功能的多通道数据采集系统
作者：
PrzemysławWłodarczykab，Szymon Pustelny b，Dmitry Budker c，MarcinLipiński a
- 克拉科夫AGH科技大学，克拉科夫，波兰
- 雅盖隆大学物理研究所，克拉科夫，波兰
- 加州大学伯克利分校，伯克利分校物理系，加利福利亚，美国
文章信息：
文章历史：
2013年11月16日收到
2014年4月23日以修改后的格式收到
2014年5月30日接受
2014年6月9日网上提供
摘 要
我们提供了一个低成本，独立的全球时间同步数据采集系统。我们的样机允许在可变范围内以16位分辨率记录多达4个模拟信号，最大采样速率为1000 S / s。该系统同时获取外部传感器的读数，例如磁力计或温度计。包含时间戳头的完整数据集存储在安全数字（SD）卡上或使用通用串行总线（USB）传输到计算机。数据采集的估计时间精度优于7200 ns。该设备旨在用于全球光学磁力计网络（全球用于外来物理学的光学磁力计网络-GNOME），该网络旨在搜索标准模型之外预示物理学的信号，该信号可以通过外来粒子普通自旋耦合或异常自旋相互作用产生。
关键字：数据采集；同步；GPS
介绍
许多现代实验需要测量远处的各种物理量。例如在地球物理研究中需要进行这种测量，特别是在地球地震活动的调查中。不同地质观测站地震波的同步检测不仅提供了关于地震震级和震中的信息，而且能够对深部地质构造（地震层析成像）进行成像[1]。由于地震波速度低（10 km / s）[2]，这种测量的时间分辨率可能相对较低（104s）[2]。相反，各种天文和天体物理观测需要良好的时间分辨率，因为天体物理信号的传播速度通常接近光速。例如，为提高引力波的性能（例如参考文献[3]）和中微子探测器[4]，需要比微秒更好的精度。最复杂的天文学研究需要皮秒时间分辨率的测量[5]。
同步测量的一个有趣的应用领域是基础研究，例如搜索异常自旋耦合。迄今为止，这些联轴器仅在当地进行了调查。然而，应用同步光学磁力仪可以显著延伸研究。这种方法将用于外部物理学全球光学磁力计网络（GNOME）[6]。该网络将由全球分离的多个光学磁强计组成（站点间距离300至10,000 km）[7]。虽然这些器件采用自旋极化原子蒸汽进行磁场感测的光学监测，但原则上它们可用于研究非磁性耦合，包括尚未发现的异常自旋相互作用（参见参考文献[7]及其中的参考文献）。由于希望GNOME可以检测到耦合的特征，所以在不同位置的信号检测的毫秒分辨率和微秒精度将能够研究全局起源的瞬态自旋耦合，例如由外来粒子射流引起的或者在通过某个外来场转换过程中产生[8]。目前，使用了几种时间分配技术。例如，时间服务器通过Internet分发时间戳[9]，这有利于数据交换和计算机网络通信。然而，这个方案的准确性并不高（几十毫秒）。通过无线电同步[10]可以获得更好的精度。各种广播电台（WWV科罗拉多，RWM莫斯科，BPM浦城，DCF77 Mainflingen等）可能用于此目的的广播时间序列。不幸的是，地球上到处都没有收到无线电时钟信号。因此，相隔数千公里的实验的同步必须利用由不同站传递的信号，并且需要基于站时钟相互同步的假设。除了这种同步的有限精度之外，由于大气中无线电波的传播条件的波动而引起附加的不确定性。结果，无线电同步的准确度可以在毫秒级别（在考虑传播延迟之后）下实现。最精确的时间分配方式利用了光纤网络（见参考文献[11]及其中的参考文献）。使用这种方法，时间的分布精度可以超过皮秒[12]。然而，这种解决方案需要使用并不总是可用的光纤网络，以及专用设备（换能器，再生器，放大器等）的应用。这限制了解决方案的普遍性。全球定位系统（GPS）可能会提供更差的精度。每颗GPS卫星都配有四个原子钟，这些原子钟是以地面主时钟为参考的。时间分布的问题在于它受到地球大气传输特性不同的影响。这可以通过检测来自许多卫星的GPS信号并应用特殊算法来实现，从而能够以纳秒精度确定时间。这种解决方案的一个重要优势是GPS卫星的全球“可视性”，可以在全球传递时间戳。
在本文中，我们描述了一个廉价的自主时间戳数据采集系统。该系统能够同时测量四个模拟和两个数字通道，并提供由GPS提供的时间参考。模拟信号可以采样率高达每秒1000个样本（1 kS / s）进行记录，并且可以存储在存储卡中。内部存储器可实现系统完全独立于计算机的操作;该设备使用一组按钮和安装在设备前面板上的屏幕进行控制和操作。然而，由于存储卡容量有限，这种操作只能在有限的时间内进行。由于这个原因，该设备也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）允许设备与计算机之间的通信，特别是设置采集参数，并实现两个设备之间的高效数据传输。在这种操作过程中，存储卡作为数据存储缓冲器工作，即，即使与计算机的通信丢失，也能确保连续的数据采集。
数据采集系统
我们的数据采集系统的框图如图1所示。该系统基于ARM7内核的Atmel微控制器，其作用在于处理时间参考，控制和同步数据采集，将数据存储在存储卡中以及与电脑进行通信。微控制器额外处理LCD屏幕并监视安装在设备前面板上的控制按钮。
在该系统中，时间参考由GPS时间接收器（Trimble Resolution T）提供。模块产生标记每秒开始的脉冲（每秒脉冲数，PPS）。为了获得第二个开始的精确时间，需要精确知道GPS天线的位置。该信息是在时间同步数据采集之前通过平均来自后续测量的位置（2,000个位置测量）自动获得的，在获取有关设备位置的信息之后，参考脉冲与GPS或UTC时间同步，准确度为45 ns（3sigma;）[13]。
GPS时间参考脉冲被发送到微处理器。每个脉冲之后是包含精确时间信息的串行端口消息。另外，该消息包含可用于估计时间可靠性的信息，例如，“可见”卫星的数量和报告任何问题的警告。最后，它包含有关GPS天线位置（经度，纬度和高度）的信息，以及有关时间模块操作的温度和其他辅助数据。
采集系统有四个隔离的模拟输入通道。每个通道都配有精密可选增益前置放大器，采用OPA277运算放大器和16位模数转换器ADS8507（ADC）设计。前置放大器的应用确保了设备的多功能性，因为它能够使用整个测量范围的转换器。微控制器以其本地振荡器以48 MHz频率进行计时，产生触发ADC的脉冲。触发脉冲与GPS参考脉冲同步以减少内部时钟的缓慢漂移。每次触发后，当转换后的数据准备就绪时，它们将通过串行外设接口总线（SPI）以菊花链方式读取[14]。通道以1 kS / s的采样率读取，在采样率较低的情况下，不必保存不必要的采样。同时，以50S / s的最大采样率读取较慢的数字传感器（例如，温度计，磁力计等）。
收集的数据保存在用FAT32文件系统格式化的安全数字（SD）卡上，该文件系统充当缓冲区。数据也通过USB发送到计算机（如果可用）。支持SD卡，FAT32和USB是基于开源库[15,16]实现的。
图1 数据采集系统的框图。GPS接收器每秒提供同步脉冲。微控制器产生用于触发ADC的1kHz频率的脉冲，ADC可以对多达4个通道的输入信号进行采样。包含有效GPS信息的标题前的采样数据被缓冲在SD存储卡上，并通过USB传输到计算机。
同步算法
图2显示了我们的数据采集系统中使用的时间序列。采集由时间脉冲（PPS）的上升沿启动。脉冲触发最高优先级的中断，称为FIQ [17]，它启动一个服务程序。例程重置用于触发ADC的定时器/计数器。在下一秒内，每当达到C时钟周期时，定时器/计数器都会复位。 C值的选择方式是C时钟周期对应1 ms（理想情况下为48,000个周期，见下文）。当定时器/计数器复位时，会产生ADC的触发脉冲，并启动采样和转换。应该注意的是，在我们的系统中，所有通道中的信号仅采样5 ns，而其转换则需要25mu;s。转换后，微控制器读取转换后的数据，这是在高优先级中断中实现的。
测量给定秒内的最后一个（第1000个）采样会禁止定时器/计数器复位（它仍然会在每个时钟周期内增加）并将单片机引入等待模式（等待下一个同步脉冲）。当脉冲到达时，定时器/计数器值首先被读取，然后立即复位。如果本地时钟具有其标称频率（48 MHz），则读取值应等于C，这对应于1 ms。如果不是，则使用C与测量周期数之间的差值来调整C.该技术补偿本地振荡器频率可能产生的漂移，即确保记录的采样随时间均匀分布1毫秒他们之间的距离。
图2 GPS同步数据采集的时间序列（不按比例）。 FIQ中断复位定时器/计数器，并将本地时钟与GPS时间参考同步。定时器/计数器每毫秒触发ADC（实际上每个C时钟周期）。由于进入中断的有限时间，ADC启动模拟数据采集的触发脉冲具有软件延迟ts。信号采样约5 ns（垂直向上箭头），然后由ADC转换转换时间tc。接下来，数据被移出ADC。当读取所有模拟信号数据时，可以对低优先级数字传感器进行维修（大矩形）。为了校正本地振荡器频率漂移，在每秒结束时测量定时器/计数器值。如果计数器读数与期望值C（三角形的阴影部分）不同，则调整第二秒钟（目标为1毫秒周期）的时钟划分以考虑漂移。它确保了模拟信号采样更均匀的分布。
除了检测模拟信号之外，在固定数量的模拟信号采样之后，还读取来自辅助数字传感器的数据。该传输具有较低的优先级，并可能被ADC服务程序中断。数字传感器的更新速度取决于其速度，但通常较低。例如，在我们的系统中，我们使用电子传感器（例如，巨型模拟器和数字磁阻电阻）测量温度和外部磁场，温度每秒采样一次，输入存储在位于微控制器中的缓冲区中，以50 S / s采样速率读取随机磁场。访问存储器（RAM）。第二次采集完成后，采集到的采样与GPS数据（时间，位置，警告等）结合起来并保存在作为半永久缓冲区的SD卡中。在我们的方案中，数据以可读的文本格式保存为分钟的文件（文件大小高达1.8 MB）。保存在SD卡上的文件通过USB连续发送到计算机。如果USB未连接且SD卡空间不足，则最旧的文件将被覆盖（对于4 GB SD卡，缓冲区最长可达20小时）。在重新建立USB传输之后，数据交换恢复。传输从最旧的文件开始以防止数据丢失。 USB数据传输是在模拟输入和数字传感器读数之间连续运行的低优先级过程中实现的。
GPS同步数据采集的精度
|
错误来源 |
最小延时（ns） |
最大延时（ns） |
最大不确定性（ns） |
|
天线电缆延迟a |
0 |
200（50米电缆） |
plusmn;10 |
|
GPS同步错误 （3sigma;） |
-45 |
45 |
plusmn;45 |
|
计划延误（ts）b |
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