基于數據流盤(pán)的數據采集平臺設計

作者/ 淮騫 蘇新彥 中北大學(xué)信息探測與處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)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(chǎng)內彈道的試驗中，由于實(shí)驗的需求往往需要高速、大量、高精度的實(shí)時(shí)數據采集存儲設備，而通用示波器由于存儲能力有限，數據采集效率不夠高而無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗的需求，結果往往是采集的數據不準確而導致以后的研究放緩甚至會(huì )讓科研人員產(chǎn)生錯誤的判斷。針對這一問(wèn)題，設計了以高速數據采集板卡PXI5122為硬件平臺的雙通道高速數據采集系統。實(shí)驗結果表明，通過(guò)流盤(pán)存儲技術(shù)實(shí)現了對數據的高速大量采集，并且還針對內彈道彈丸實(shí)驗需求設計了專(zhuān)用的數據采集系統。

引言

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，數字系統被廣泛應用于國民經(jīng)濟、國防建設和科學(xué)試驗等各個(gè)領(lǐng)域，數據采集己成為實(shí)現數字系統的關(guān)鍵技術(shù)之一。在內彈道測試的外場(chǎng)試驗中，往往對實(shí)時(shí)數據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，數據采集效率不高，因而無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗的需求。本文以高速數據采集板卡PXI5122為硬件平臺設計的雙通道高速數據采集平臺，通過(guò)流盤(pán)存儲技術(shù)實(shí)現了數據的高速大量采集存儲，并且針對內彈道彈丸實(shí)驗需求設計了專(zhuān)用的數據采集系統。

1 設計方案

　　系統的設計方案總體分為三大部分，即數據采集子系統硬件平臺設計、數據采集子系統軟件設計以及兩部分的測試預分析。

1.1 多普勒信號數據流盤(pán)存儲架構

　　流盤(pán)存儲是指以足夠維持連續采集的高速率將數據傳輸至儀器或儀器輸出，因此它的數據的大小和傳輸速率會(huì )影響它的性能，如果要實(shí)現高效率的流盤(pán)，必須對流盤(pán)的架構進(jìn)行合理的設計，以確保系統能夠更好地滿(mǎn)足外場(chǎng)試驗中內彈道彈丸多普勒信號數據采集存儲。

　　本文使用普通的PXIe總線(xiàn)進(jìn)行數據流盤(pán)的架構設計，PXIe是一種串行總線(xiàn)，單線(xiàn)傳輸速率能夠達到250MB/s，數據獲取子系統是以PXIe5122板卡為硬件平臺進(jìn)行開(kāi)發(fā)設計的，使用普通的 PXIe 總線(xiàn)數據流盤(pán)架構對子系統的數據存儲進(jìn)行設計，其設計框圖如圖1所示。在進(jìn)行數據采集時(shí)，首先將采集到的數據存儲在板卡的板載緩存上，然后直接傳輸到I/O總線(xiàn)上，最后通過(guò)計算機RAM、CPU傳輸到硬盤(pán)中，一般情況下的存取速度的瓶頸主要受讀寫(xiě)硬盤(pán)速度的制約，通常在100MB/s以上，完全滿(mǎn)足連續采集存儲的要求，只要電腦硬盤(pán)足夠大可以實(shí)現數據不斷地高速采集。

1.2 系統硬件平臺的設計

　　數據采集子系統硬件平臺的設計是通過(guò)AMC智能平板與PXI總線(xiàn)搭數據采集板卡PXI5122實(shí)現。PXI5122是一款能以100MS/s最大實(shí)時(shí)采樣率，高達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)內置測量與分析函數的高分辨率板卡。通過(guò)對它的底層儀器驅動(dòng)函數進(jìn)行設計，可以實(shí)現高速雙通道的數據采集、示波、存取和計算。

　　數據子系統硬件平臺架構框圖如圖2所示。由圖2可知，數據子系統的設計主要包括三個(gè)部分，即通道數據采集、觸發(fā)事件控制和數據流盤(pán)方式存儲。通道數據采集分為連續采集和單次采集，連續采集主要用于觀(guān)察膛內信號的質(zhì)量，實(shí)際實(shí)驗過(guò)程中可以利用模擬彈丸在膛內來(lái)回的運動(dòng)來(lái)判斷雷達與彈丸軌跡是否在同一條直線(xiàn)上，從而確保測速雷達可以采集到較強的多普勒信號，所以設計為連續覆寫(xiě)板載內存空間，并不對信號數據進(jìn)行存儲;單次數據采集主要是以外部觸發(fā)事件控制進(jìn)行數據的采集存儲，當系統軟件被觸發(fā)時(shí)，計算機通過(guò)PXI總線(xiàn)讀取板載內存中的數據并保存到它的硬盤(pán)空間中。

1.3 數據采集系統軟件平臺的設計

　　數據采集系統軟件平臺的設計目的是針對多普勒測速雷達的回波信號進(jìn)行數據的采集、波形顯示以及波形的時(shí)域分析。在確保系統具有良好工作性能的前提下，設計出簡(jiǎn)潔、有針對性的軟件操作平臺，提高系統在工程領(lǐng)域的應用效率和價(jià)值。

　　軟件系統的主要功能是實(shí)現對示波器硬件模塊的初始化、參數設置、數據采集、波形顯示和波形分析等^[4]。

　　軟件系統的整體運行結構如圖3所示，軟件系統運行后，首先會(huì )搜尋板卡儀器，確定機箱中是否存在該儀器，如果沒(méi)有搜索到設備就會(huì )報錯，如果儀器存在就會(huì )自動(dòng)加載儀器驅動(dòng)，對儀器進(jìn)行初始化，從而進(jìn)行參數的設置，包括通道參數、時(shí)基參數以及觸發(fā)參數，然后開(kāi)始采集，先判斷是哪種采集模式，從而進(jìn)行相應的采集，最后在顯示面板上繪制出波形，需要注意的一點(diǎn)是連續采集和單次采集不能同時(shí)進(jìn)行。在進(jìn)行數據采集時(shí)可以對采集的波形進(jìn)行參數測量和頻域分析，并顯示在面板中^[6]。