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1 北斗技术和云智慧技术介绍

1.1北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统简称北斗系统，英文名称为BeiDou Navigation Satellite System，缩写为BDS。北斗系统是中国自主知识产权、独立建造的，与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，可在全球范围内全天候为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。

北斗卫星导航系统向用户提供高质量的定位，导航和授时服务，其中包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务等定制信息。

1.2 云智慧数据采集系统架构

云智慧仪器的概念提出以来，有一大批热心学者参与到智能仪器的研究之中，为云智慧仪器诞生奠定了良好的基础。云智慧测试的基本工作流程如下。

云智慧测试仪器的各部分分布在世界各地，全部通过互联网进行连接。用户使用可接入互联网的终端设备（如笔记本电脑，平板电脑，智能手机等），无需安装软件，通过浏览器直接访问云计算中心，发出各种测试参数的设置和启停指令。

云计算中心将这些指令发送到分布于多个现场地点的前端采集硬件。前端采集硬件接收到指令后，通过嵌入式系统控制AD硬件自动完成信号采集，接着进入DSP完成实时处理，最后将测量信息自动发送到云计算中心。

云智慧测试服务软件系统在云计算中心收集管理和存储来自前端硬件的所有信息，自动完成大批量数据的计算和融合，生成最终试验报告，传回到用户手中。

云智慧测试的操作终端可以是任何一台连入互联网的计算机、平板电脑或者智能手机，并且无需安装软件，使得人员可以在随时随地掌控监测系统的状态，调入所有数据，完全改变了一般现场或远程监测的显示终端位置固定的现状，在多人管理、远程调控、应急反应速度等方面的能力都将得到极大的提高。

云智慧测试系统的基本架构设计如图1所示。

       图1  云智慧数据采集系统架构图

1.3 北斗在云智慧数据采集系统的应用

在云智慧数据采集系统中，前端各采集仪间有时需要达到同步测试的要求，且对同步精度往往要求百纳秒级甚至更高。

北斗卫星导航系统能够提供精准授时的时钟信息，授时精度稳定可靠，误差约为10nS，将该技术合理运用到云智慧数据采集系统中，能使系统中的前端各台采集仪实现高精度的同步采集。北斗同步技术使得云智慧数据采集系统中的前端采集设备在同步中不再受距离的限制。

云智慧数据采集仪器运用北斗同步技术，进行云智慧监测的基本构架图如图2所示。

          图2  北斗同步在云智慧数据采集监测下的构架图

2 北斗同步技术的实现

云智慧测试下的北斗同步技术，是运用北斗芯片读取北斗导航卫星系统传给地面的时间脉冲及其它相关信息，以这些信息作为标准进行同步校准，实现位于云智慧系统中的各前端测试点同步测试的目的。

北斗同步测试方案的原理。其中，北斗模块与MCU的硬件连接示意图，如图3所示。北斗卫星接收模块通过卫星天线从卫星接收北斗发出的相关信息，这些信息将以时钟（秒脉冲）和串行数据的方式传递给MCU，供其使用。

             图3 北斗同步硬件构架

北斗接收模块相关数据输出时序如图4所示，可见每一个时间脉冲后都跟着一串北斗信息，包括UTC时间，经纬度，线速度等等。

     图4  某北斗模块的秒脉冲时序图

北斗同步的实现原理流程，如图5所示。在云智慧数据系统中，整个北斗同步的过程将由云采集中心配合完成。

   图5  北斗同步流程图

如此校准能保证初始相位一致，但如果要长时间保持相位一致，还需要根据北斗时间脉冲来修正各采集仪的时钟频率。

3 云智慧总线同步技术（CXI）

北斗同步技术虽然有着很高的精度，但在云智慧这种复杂的系统中仍然具有其局限性，当前端仪器所处环境无法接收到北斗卫星信号时，仪器间的同步将无法完成。可见单一的同步技术已经不能满足云智慧数据采系统，因此北京东方振动和噪声技术研究所（简称COINV）提出了一种综合总线系统方案——CXI (Cloud eXtensions for Instrument)。该综合总线系统将北斗/GPS同步、线同步以及IEEE1588同步合理巧妙的同时配合使用。多种同步技术自动选择智能应用，互相结合，优势互补，取得最佳的同步的精密。

CXI总线技术根据各种同步技术的优点和不足，提供了一套综合同步的方法，能满足各种环境下的同步要求：当需要短时间测量且同步仪器距离很近时，我们可以采用线同步技术；当仪器距离在一定的范围内，且需要长时间监测时，我们可以采用IEEE 1588同步技术；当距离很远且处于室外时，我们可以采用北斗/GPS同步技术；在某些时候我们需要在小范围或者无法接收到北斗/GPS信号的局域网内采用线同步或IEEE 1588同步，相隔很远的多个局域网之间采用北斗/GPS同步。

对于云智慧仪器CSI(Cloud Smart Instrument)的发展应用而言，CXI综合总线系统的提出是一种划时代的创新。

4 总结

北斗同步技术运用到云智慧数据采集监控系统中，使得云智慧系统中不同地理位置的采集仪进行高精度的同步采集有了可能。CXI总线综合同步技术的提出，弥补了单一同步方式的不足，让云智慧数据采集系统有了全面的采集仪同步解决方案。

云智慧技术作为一种新生的技术已渐渐走向成熟，云智慧测试也将在今后的生产建设中发挥更大的作用。 

 

参考文献：

[1]  应怀樵，沈松. 云智慧仪器研制与展望——从VI到CSI.现代振动与噪声技术第10卷: 371-382

[2]  沈松，应怀樵 葛宝珊. 云智慧测试技术的实现架构研究.现代振动与噪声技术第10卷: 383-387

[3]  黄云水，冯玉光.IEEE 1588精密时钟同步分析[J].国外电子测量技术 2005 (9)

[4]  黄波，胡修林. 北斗2导航卫星星间测距与时间同步技术  宇航学报，第32卷第6期2011，（6）

[5]  邹红艳，郑建勇. 基于GPS同步时钟的统一校时方案[J].电力自动化设备,2004, 24(12): 59-61.