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)

　　*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會讓科研人員產(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]。