基于數(shù)據(jù)流盤的數(shù)據(jù)采集平臺設(shè)計
作者/ 淮騫 蘇新彥 中北大學(xué)信息探測與處理技術(shù)重點實驗室(山西 太原 030051)
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201709/364872.htm*基金項目:國家自然科學(xué)基金(編號:61601412)
淮騫(1990-),男,碩士生,研究方向:信號與信息處理;蘇新彥,女,副教授,研究方向:雷達信息獲取和處理技術(shù)、電磁兼容等。
摘要:在外場內(nèi)彈道的試驗中,由于實驗的需求往往需要高速、大量、高精度的實時數(shù)據(jù)采集存儲設(shè)備,而通用示波器由于存儲能力有限,數(shù)據(jù)采集效率不夠高而無法滿足實驗的需求,結(jié)果往往是采集的數(shù)據(jù)不準確而導(dǎo)致以后的研究放緩甚至?xí)尶蒲腥藛T產(chǎn)生錯誤的判斷。針對這一問題,設(shè)計了以高速數(shù)據(jù)采集板卡PXI5122為硬件平臺的雙通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明,通過流盤存儲技術(shù)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的高速大量采集,并且還針對內(nèi)彈道彈丸實驗需求設(shè)計了專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
引言
隨著計算機技術(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、國防建設(shè)和科學(xué)試驗等各個領(lǐng)域,數(shù)據(jù)采集己成為實現(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中,往往對實時數(shù)據(jù)采集存儲的存儲容量、速度精度都有較高的要求,而通用示波器由于存儲能力有限,數(shù)據(jù)采集效率不高,因而無法滿足實驗的需求。本文以高速數(shù)據(jù)采集板卡PXI5122為硬件平臺設(shè)計的雙通道高速數(shù)據(jù)采集平臺,通過流盤存儲技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速大量采集存儲,并且針對內(nèi)彈道彈丸實驗需求設(shè)計了專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
1 設(shè)計方案
系統(tǒng)的設(shè)計方案總體分為三大部分,即數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)軟件設(shè)計以及兩部分的測試預(yù)分析。
1.1 多普勒信號數(shù)據(jù)流盤存儲架構(gòu)
流盤存儲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影響它的性能,如果要實現(xiàn)高效率的流盤,必須對流盤的架構(gòu)進行合理的設(shè)計,以確保系統(tǒng)能夠更好地滿足外場試驗中內(nèi)彈道彈丸多普勒信號數(shù)據(jù)采集存儲。
本文使用普通的PXIe總線進行數(shù)據(jù)流盤的架構(gòu)設(shè)計,PXIe是一種串行總線,單線傳輸速率能夠達到250MB/s,數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)是以PXIe5122板卡為硬件平臺進行開發(fā)設(shè)計的,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)存儲進行設(shè)計,其設(shè)計框圖如圖1所示。在進行數(shù)據(jù)采集時,首先將采集到的數(shù)據(jù)存儲在板卡的板載緩存上,然后直接傳輸?shù)絀/O總線上,最后通過計算機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)采集存儲的要求,只要電腦硬盤足夠大可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)不斷地高速采集。
1.2 系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計
數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計是通過AMC智能平板與PXI總線搭數(shù)據(jù)采集板卡PXI5122實現(xiàn)。PXI5122是一款能以100MS/s最大實時采樣率,高達2.0GS/s的等效時間采樣,具有軟件可選的動態(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)動函數(shù)進行設(shè)計,可以實現(xiàn)高速雙通道的數(shù)據(jù)采集、示波、存取和計算。
數(shù)據(jù)子系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu)框圖如圖2所示。由圖2可知,數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的設(shè)計主要包括三個部分,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。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)信號的質(zhì)量,實際實驗過程中可以利用模擬彈丸在膛內(nèi)來回的運動來判斷雷達與彈丸軌跡是否在同一條直線上,從而確保測速雷達可以采集到較強的多普勒信號,所以設(shè)計為連續(xù)覆寫板載內(nèi)存空間,并不對信號數(shù)據(jù)進行存儲;單次數(shù)據(jù)采集主要是以外部觸發(fā)事件控制進行數(shù)據(jù)的采集存儲,當(dāng)系統(tǒng)軟件被觸發(fā)時,計算機通過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)軟件平臺的設(shè)計
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計目的是針對多普勒測速雷達的回波信號進行數(shù)據(jù)的采集、波形顯示以及波形的時域分析。在確保系統(tǒng)具有良好工作性能的前提下,設(shè)計出簡潔、有針對性的軟件操作平臺,提高系統(tǒng)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用效率和價值。
軟件系統(tǒng)的主要功能是實現(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)的整體運行結(jié)構(gòu)如圖3所示,軟件系統(tǒng)運行后,首先會搜尋板卡儀器,確定機箱中是否存在該儀器,如果沒有搜索到設(shè)備就會報錯,如果儀器存在就會自動加載儀器驅(qū)動,對儀器進行初始化,從而進行參數(shù)的設(shè)置,包括通道參數(shù)、時基參數(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,需要注意的一點是連續(xù)采集和單次采集不能同時進行。在進行數(shù)據(jù)采集時可以對采集的波形進行參數(shù)測量和頻域分析,并顯示在面板中[6]。
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