基于數據流盤的數據采集平臺設計

作者/ 淮騫 蘇新彥 中北大學信息探測與處理技術重點實驗室(山西 太原 030051)

　　*基金項目：國家自然科學基金(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、電磁兼容等。

摘要：在外場內彈道的試驗中，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法滿足實驗的需求，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讓科研人員產生錯誤的判斷。針對這一問題，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。實驗結果表明，通過流盤存儲技術實現了對數據的高速大量采集，并且還針對內彈道彈丸實驗需求設計了專用的數據采集系統。

引言

　　隨著計算機技術和微電子技術的高速發展，數字系統被廣泛應用于國民經濟、國防建設和科學試驗等各個領域，數據采集己成為實現數字系統的關鍵技術之一。在內彈道測試的外場試驗中，往往對實時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，因而無法滿足實驗的需求。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，通過流盤存儲技術實現了數據的高速大量采集存儲，并且針對內彈道彈丸實驗需求設計了專用的數據采集系統。

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存儲架構

　　流盤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影響它的性能，如果要實現高效率的流盤，必須對流盤的架構進行合理的設計，以確保系統能夠更好地滿足外場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總線進行數據流盤的架構設計，PXIe是一種串行總線，單線傳輸速率能夠達到250MB/s，數據獲取子系統是以PXIe5122板卡為硬件平臺進行開發設計的，使用普通的 PXIe 總線數據流盤架構對子系統的數據存儲進行設計，其設計框圖如圖1所示。在進行數據采集時，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總線上，最后通過計算機RAM、CPU傳輸到硬盤中，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，完全滿足連續采集存儲的要求，只要電腦硬盤足夠大可以實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AMC智能平板與PXI總線搭數據采集板卡PXI5122實現。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范圍，50Ω或1MΩ電阻輸入，200mV到20V電壓輸入，并配置由50多個內置測量與分析函數的高分辨率板卡。通過對它的底層儀器驅動函數進行設計，可以實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部分，即通道數據采集、觸發事件控制和數據流盤方式存儲。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察膛內信號的質量，實際實驗過程中可以利用模擬彈丸在膛內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，所以設計為連續覆寫板載內存空間，并不對信號數據進行存儲;單次數據采集主要是以外部觸發事件控制進行數據的采集存儲，當系統軟件被觸發時，計算機通過PXI總線讀取板載內存中的數據并保存到它的硬盤空間中。

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行數據的采集、波形顯示以及波形的時域分析。在確保系統具有良好工作性能的前提下，設計出簡潔、有針對性的軟件操作平臺，提高系統在工程領域的應用效率和價值。

　　軟件系統的主要功能是實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，如果沒有搜索到設備就會報錯，如果儀器存在就會自動加載儀器驅動，對儀器進行初始化，從而進行參數的設置，包括通道參數、時基參數以及觸發參數，然后開始采集，先判斷是哪種采集模式，從而進行相應的采集，最后在顯示面板上繪制出波形，需要注意的一點是連續采集和單次采集不能同時進行。在進行數據采集時可以對采集的波形進行參數測量和頻域分析，并顯示在面板中^[6]。