基于數(shù)據(jù)流盤的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)設(shè)計(jì)

作者/ 淮騫 蘇新彥 中北大學(xué)信息探測與處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山西 太原 030051)

　　*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(編號(hào)：61601412)

　　淮騫(1990-)，男，碩士生，研究方向：信號(hào)與信息處理;蘇新彥，女，副教授，研究方向：雷達(dá)信息獲取和處理技術(shù)、電磁兼容等。

摘要：在外場內(nèi)彈道的試驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)的需求往往需要高速、大量、高精度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)設(shè)備，而通用示波器由于存儲(chǔ)能力有限，數(shù)據(jù)采集效率不夠高而無法滿足實(shí)驗(yàn)的需求，結(jié)果往往是采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致以后的研究放緩甚至?xí)尶蒲腥藛T產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷。針對這一問題，設(shè)計(jì)了以高速數(shù)據(jù)采集板卡PXI5122為硬件平臺(tái)的雙通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過流盤存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的高速大量采集，并且還針對內(nèi)彈道彈丸實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)了專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)和科學(xué)試驗(yàn)等各個(gè)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集己成為實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在內(nèi)彈道測試的外場試驗(yàn)中，往往對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的存儲(chǔ)容量、速度精度都有較高的要求，而通用示波器由于存儲(chǔ)能力有限，數(shù)據(jù)采集效率不高，因而無法滿足實(shí)驗(yàn)的需求。本文以高速數(shù)據(jù)采集板卡PXI5122為硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)的雙通道高速數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，通過流盤存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速大量采集存儲(chǔ)，并且針對內(nèi)彈道彈丸實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)了專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案總體分為三大部分，即數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以及兩部分的測試預(yù)分析。

1.1 多普勒信號(hào)數(shù)據(jù)流盤存儲(chǔ)架構(gòu)

　　流盤存儲(chǔ)是指以足夠維持連續(xù)采集的高速率將數(shù)據(jù)傳輸至儀器或儀器輸出，因此它的數(shù)據(jù)的大小和傳輸速率會(huì)影響它的性能，如果要實(shí)現(xiàn)高效率的流盤，必須對流盤的架構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)能夠更好地滿足外場試驗(yàn)中內(nèi)彈道彈丸多普勒信號(hào)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)。

　　本文使用普通的PXIe總線進(jìn)行數(shù)據(jù)流盤的架構(gòu)設(shè)計(jì)，PXIe是一種串行總線，單線傳輸速率能夠達(dá)到250MB/s，數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)是以PXIe5122板卡為硬件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的，使用普通的 PXIe 總線數(shù)據(jù)流盤架構(gòu)對子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在板卡的板載緩存上，然后直接傳輸?shù)絀/O總線上，最后通過計(jì)算機(jī)RAM、CPU傳輸?shù)接脖P中，一般情況下的存取速度的瓶頸主要受讀寫硬盤速度的制約，通常在100MB/s以上，完全滿足連續(xù)采集存儲(chǔ)的要求，只要電腦硬盤足夠大可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不斷地高速采集。

1.2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)是通過AMC智能平板與PXI總線搭數(shù)據(jù)采集板卡PXI5122實(shí)現(xiàn)。PXI5122是一款能以100MS/s最大實(shí)時(shí)采樣率，高達(dá)2.0GS/s的等效時(shí)間采樣，具有軟件可選的動(dòng)態(tài)范圍，50Ω或1MΩ電阻輸入，200mV到20V電壓輸入，并配置由50多個(gè)內(nèi)置測量與分析函數(shù)的高分辨率板卡。通過對它的底層儀器驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)高速雙通道的數(shù)據(jù)采集、示波、存取和計(jì)算。

　　數(shù)據(jù)子系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)框圖如圖2所示。由圖2可知，數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分，即通道數(shù)據(jù)采集、觸發(fā)事件控制和數(shù)據(jù)流盤方式存儲(chǔ)。通道數(shù)據(jù)采集分為連續(xù)采集和單次采集，連續(xù)采集主要用于觀察膛內(nèi)信號(hào)的質(zhì)量，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中可以利用模擬彈丸在膛內(nèi)來回的運(yùn)動(dòng)來判斷雷達(dá)與彈丸軌跡是否在同一條直線上，從而確保測速雷達(dá)可以采集到較強(qiáng)的多普勒信號(hào)，所以設(shè)計(jì)為連續(xù)覆寫板載內(nèi)存空間，并不對信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ);單次數(shù)據(jù)采集主要是以外部觸發(fā)事件控制進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)，當(dāng)系統(tǒng)軟件被觸發(fā)時(shí)，計(jì)算機(jī)通過PXI總線讀取板載內(nèi)存中的數(shù)據(jù)并保存到它的硬盤空間中。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)目的是針對多普勒測速雷達(dá)的回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、波形顯示以及波形的時(shí)域分析。在確保系統(tǒng)具有良好工作性能的前提下，設(shè)計(jì)出簡潔、有針對性的軟件操作平臺(tái)，提高系統(tǒng)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用效率和價(jià)值。

　　軟件系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對示波器硬件模塊的初始化、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、波形顯示和波形分析等^[4]。

　　軟件系統(tǒng)的整體運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖3所示，軟件系統(tǒng)運(yùn)行后，首先會(huì)搜尋板卡儀器，確定機(jī)箱中是否存在該儀器，如果沒有搜索到設(shè)備就會(huì)報(bào)錯(cuò)，如果儀器存在就會(huì)自動(dòng)加載儀器驅(qū)動(dòng)，對儀器進(jìn)行初始化，從而進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，包括通道參數(shù)、時(shí)基參數(shù)以及觸發(fā)參數(shù)，然后開始采集，先判斷是哪種采集模式，從而進(jìn)行相應(yīng)的采集，最后在顯示面板上繪制出波形，需要注意的一點(diǎn)是連續(xù)采集和單次采集不能同時(shí)進(jìn)行。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)可以對采集的波形進(jìn)行參數(shù)測量和頻域分析，并顯示在面板中^[6]。