一種通用多通道高頻相控發(fā)射和采集系統(tǒng)

唐亮，劉曉東，劉治宇

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一種通用多通道高頻相控發(fā)射和采集系統(tǒng)

唐亮1,2，劉曉東1，劉治宇1

(1. 中國科學院聲學研究所，北京 100190；2. 中國科學院大學，北京 100049)

聲吶系統(tǒng)性能檢測需要一種多通道可控相位信號和多通道大容量高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過多種高速數(shù)據(jù)采集和信號發(fā)射方案的對比，選用基于圖形化編程語言LabVIEW和相應的硬件設備，設計、研制了一種32通道發(fā)射和128通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于多數(shù)聲吶系統(tǒng)的性能檢測。發(fā)射系統(tǒng)利用直接數(shù)字合成技術，生成可以單獨調(diào)節(jié)相位的32通道正弦信號；采集系統(tǒng)采用分塊讀取減少緩沖區(qū)數(shù)據(jù)占用的方式，實現(xiàn)有限數(shù)據(jù)采集，并采用減少顯示圖形更新次數(shù)、使用DAQmx配置記錄函數(shù)等方法，實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)采集。測試結果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)在采樣率為2 MHz時，128通道中每通道1 300 000點的有限數(shù)據(jù)采集，以及采樣率最高為0.7 MHz的128通道的連續(xù)數(shù)據(jù)采集。利用該系統(tǒng)對高分辨率測深側掃聲吶的發(fā)射信號進行檢測，發(fā)射信號正常，系統(tǒng)工作良好。

相控發(fā)射；高速數(shù)據(jù)采集；圖形化編程語言LabVIEW；流盤

0 引言

海洋聲學技術領域有時需要對開發(fā)過程中的聲吶系統(tǒng)性能進行檢測和評估，或者對算法的可行性進行驗證。而海洋聲學技術中信號的工作頻率分布較廣，且有的設備的通道數(shù)達到上百個左右。例如專利[1]中的聲吶系統(tǒng)的工作頻率為150 kHz，通道數(shù)為96個；又如文獻[2]中聲吶系統(tǒng)工作頻率為12 kHz，發(fā)射通道七百多個，接收通道64個。除了以上方面，隨著技術更新速度的加快，需要快速地實現(xiàn)對信號的處理或者快速對原理進行驗證，這就要求系統(tǒng)具有一定的通用性。綜上所述，為了實現(xiàn)聲吶設備性能檢測和評估以及驗證算法在實際應用中的可行性，需要通道數(shù)多的發(fā)射系統(tǒng)以及通道數(shù)多、采樣率高、數(shù)據(jù)吞吐量大，同時具有一定通用性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

本文通過對不同方案的分析，最終確定利用美國NI(National Instrument) 公司的軟硬件平臺，實現(xiàn)32通道的相控發(fā)射系統(tǒng)和128通道的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)可以根據(jù)不同需求設定不同的相位、幅度以及頻率等；采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)高速(最高2 MHz/通道)有限數(shù)據(jù)采集和長時間連續(xù)數(shù)據(jù)(最高700 kHz/通道)采集，并實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的回放、頻譜分析和數(shù)字濾波等數(shù)據(jù)處理操作，且可利用系統(tǒng)對高分辨率測深側掃聲吶的發(fā)射信號進行檢測。

1 實現(xiàn)多通道發(fā)射和采集系統(tǒng)方法對比

實現(xiàn)多通道高速數(shù)據(jù)發(fā)射和采集有多種方法，如文獻[2]中使用多個專用的發(fā)射板進行多通道發(fā)射，使用專用的前放板、多個A/D芯片、控制板、CPU板及數(shù)據(jù)存儲服務器等實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集和存儲，其系統(tǒng)連接如圖1所示；或者利用一些商用平臺實現(xiàn)多通道的高速數(shù)據(jù)采集[3]和發(fā)射，其系統(tǒng)的構建方式一般如圖2所示?？紤]到多通道高速采集系統(tǒng)的難點在于每秒上百兆數(shù)據(jù)的實時存儲，而實時存儲的關鍵點在于總線的傳輸速率以及存儲器介質(zhì)的讀寫速度[4]。文獻[2]中的系統(tǒng)采用CPCI總線進行數(shù)據(jù)傳輸，而一些商用平臺使用傳輸速率更高的總線，如NI平臺可以使用PXIe總線。其中CPCI總線是建立在PCI總線的基礎上，而PCI總線傳輸帶寬最高為133 MB/s。PXIe總線是建立在PCIe基礎上發(fā)布的，其中PCIe 2.0標準將單線速度提高到500 MB/s，而且PXIe具有定時和同步功能，還提供了附加的定時和觸發(fā)總線。發(fā)射和采集系統(tǒng)的不同實現(xiàn)方式及各方面性能對比如表1所示。從表1可知，第一種方法構建的專用多通道發(fā)射和采集系統(tǒng)通用性較弱，設備比較復雜，成本比較高，軟件開發(fā)也比較復雜。而基于NI平臺的圖形化語言LabVIEW可用軟件來定制系統(tǒng)功能，具有可視化特性，更適應需求的變化，通用性更強，設備也不是很復雜，成本也不高，且使用的總線具有更高的帶寬。綜上所述，我們的系統(tǒng)選擇NI平臺實現(xiàn)多通道發(fā)射和多通道高速數(shù)據(jù)采集。

Fig2 Commercial multi-channel transmitting and acquisition system

表1 多通道發(fā)射和采集系統(tǒng)不同實現(xiàn)方式性能對比

2 系統(tǒng)構建

NI多通道發(fā)射和采集系統(tǒng)由圖形化編程語言LabVIEW編寫的軟件系統(tǒng)和相應的硬件系統(tǒng)組成。

2.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)由機箱PXIe-1075、處理器PXIe- 8133、流盤控制器8262、同步采集板卡PXIe-6368、存儲容量為12 TB的磁盤陣列HDD-8265、接線盒BNC-2110和多功能輸入輸出PXI-7842R組成。實物連接如圖3所示。

其中，PXIe-1075是配有18槽的機箱，每個插槽具有高達1 GB/s的專用帶寬和4 GB/s的系統(tǒng)帶寬。PXIe-8133是具有四核、CPU的時鐘頻率為1.73 GHz、標準內(nèi)存為2 G、系統(tǒng)帶寬高達8 GB/s的處理器。PXIe-6368是多功能的數(shù)據(jù)采集設備，具有16個模擬輸入采集通道，各通道的最大采樣速率是2 MHz，每個通道都有獨立的ADC，有效分辨率是16 bit，帶寬是1 MHz。HDD-8265是具有12 TB存儲容量的外圍設備。PXI-7842R具有8路模擬輸入，8路模擬輸出，200 kHz獨立采樣率和16 bit分辨率等特性[5]。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括發(fā)射系統(tǒng)和采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)還包括參數(shù)設置、數(shù)據(jù)流盤和數(shù)據(jù)回放三個部分。其中，參數(shù)設置主要包括：通道選擇和其他參數(shù)設置。數(shù)據(jù)流盤包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存盤。數(shù)據(jù)回放包括：波形回放、頻譜分析和數(shù)字濾波。軟件系統(tǒng)組成如圖4所示。

2.2.1 發(fā)射系統(tǒng)

發(fā)射系統(tǒng)利用4塊FPGA板卡PXI-7842R產(chǎn)生32通道的模擬正弦信號，每個通道可以單獨設置信號的幅度、相位和頻率。發(fā)射系統(tǒng)利用DDS(direct digital synthesizer)產(chǎn)生正弦信號，原理如圖5所示。相位累加器在每一個時鐘周期到來時累加一次相位增量。查找表用于實現(xiàn)從相位累加器輸出的值到正弦幅度值的轉(zhuǎn)換，然后把輸出送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器中將數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬量，最后通過低通濾波器輸出正弦波信號。相位累加器和查找表的編程實現(xiàn)如圖6所示。發(fā)射信號參數(shù)設置的前面板如圖7所示。

2.2.2 采集系統(tǒng)

(1) 參數(shù)設置

參數(shù)設置主要包括：通道選擇、定時參數(shù)、存儲采集數(shù)據(jù)的文件夾、觸發(fā)方式(軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā))、同步方式(采樣時鐘同步和參考時鐘同步)、采樣方式(有限數(shù)據(jù)采集和連續(xù)數(shù)據(jù)采集)等。參數(shù)設置的前面板如圖8所示。

(2) 數(shù)據(jù)流盤

數(shù)據(jù)流盤的關鍵點在于多個通道之間的信號之間不能發(fā)生偏移，怎樣實現(xiàn)多通道大數(shù)據(jù)量的流盤，以及數(shù)據(jù)顯示對流盤速率的影響。

進行多通道數(shù)據(jù)采集時，為防止多個通道之間的信號偏移，需要對多個通道進行同步處理。為了實現(xiàn)主從設備的同步，除了主從設備共用同一個時鐘外，還應該首先使從設備的開始運行早于主設備的運行。由于從設備的采樣時鐘或者參考時鐘均來自主設備，所以在主設備沒有運行之前從設備均處于等待狀態(tài)，當主設備運行時，從設備也立即運行，從而實現(xiàn)了主從設備的同時運行。利用LabVIEW軟件中的順序結構可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流的控制，也就是把從設備的“開始任務”放在順序結構的前一幀，主設備的“開始任務”放在順序結構的下一幀，從而實現(xiàn)從設備的運行早于主設備。具體實現(xiàn)如圖9所示。

采集方式分為有限數(shù)據(jù)采集和連續(xù)數(shù)據(jù)采集。有限數(shù)據(jù)采集主要是應用在采樣率較高、每通道采集指定點的情況。LabVIEW注意數(shù)據(jù)的安全性，會備份數(shù)據(jù)。當處理大量數(shù)據(jù)時，大量的數(shù)據(jù)副本可能會導致內(nèi)存溢出錯誤。為避免創(chuàng)建大量數(shù)據(jù)副本，可減少每個副本的大小，即可以將數(shù)據(jù)分塊。數(shù)據(jù)分塊時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)副本對數(shù)據(jù)吞吐率有一定影響，所以，最好最小化這些副本。本軟件系統(tǒng)通過分塊策略實現(xiàn)采樣率2 MHz時最多采集點的有限數(shù)據(jù)采集。連續(xù)數(shù)據(jù)采集應用在采樣率相對較小的情況下，進行長時間的數(shù)據(jù)采集時使用。其中連續(xù)數(shù)據(jù)采集使用DAQmx配置記錄函數(shù)，它利用DMA方式進行數(shù)據(jù)傳輸，即將原始數(shù)據(jù)從采集板卡直接傳輸?shù)接脖P，而用其他方式如“生產(chǎn)者-消費者”模型進行流盤，需要經(jīng)過DAQmx 緩存、LabVIEW 內(nèi)存、TDMS 內(nèi)存、windows 緩存[6]，減緩流盤的速率。程序?qū)崿F(xiàn)如圖10所示。

進行數(shù)據(jù)顯示的作用是檢查采集數(shù)據(jù)的正確性。但是數(shù)據(jù)顯示特別是圖表或者圖像類型，都會使系統(tǒng)的速度變慢。在不影響數(shù)據(jù)查看的情況下，顯示的數(shù)據(jù)點數(shù)少一些或者圖形的更新頻率更低一些，都能提高系統(tǒng)的性能?；谝陨系脑?，實現(xiàn)每10次循環(huán)才更新一次圖形。具體是通過“商與余數(shù)”函數(shù)的余數(shù)輸出是否為0以及條件結構，實現(xiàn)每10次循環(huán)才更新一次波形圖表。

(3) 數(shù)據(jù)回放

數(shù)據(jù)回放主要是對采集的數(shù)據(jù)進行處理，包括對采集數(shù)據(jù)進行回放、頻譜分析以及數(shù)字濾波等。

高速數(shù)據(jù)采集時，由于采樣速率快，對采集的數(shù)據(jù)進行實時顯示或者分析是比較困難的，這主要是因為圖形的更新需要一定的時間，而此時數(shù)據(jù)采集還在不斷進行。由于圖形顯示的更新會使數(shù)據(jù)的讀取速度變慢，進而造成數(shù)據(jù)的溢出。為了查看采集的各個通道的數(shù)據(jù)波形，可以在數(shù)據(jù)采集結束后，通過讀取已經(jīng)存儲在指定文件夾的數(shù)據(jù)，進而顯示采集的所有數(shù)據(jù)同時查看數(shù)據(jù)的有效性。

利用LabVIEW的FFT模塊進行快速傅里葉變換后再經(jīng)過復數(shù)轉(zhuǎn)極坐標模塊，這樣輸出的是雙邊頻譜，可以通過一定的算法將雙邊頻譜變?yōu)閱芜咁l譜。具體的程序?qū)崿F(xiàn)如圖11所示。

數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理的重要組成部分，它分為有限長單位脈沖響應數(shù)字濾波器(FIR)和無限長單位脈沖響應濾波器(IIR)。FIR濾波器主要采用非遞歸結構，不存在穩(wěn)定性問題，對線性相位要求較高。IIR濾波器可以用較少的階數(shù)獲得較高的選擇性，存儲單元少，運算次數(shù)少，較為經(jīng)濟[7]。在水聲應用中，對相位要求較高，所以此系統(tǒng)主要采用FIR數(shù)字濾波。在程序的前面板可以選擇濾波器的類型，如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等，還可以進行最低阻帶、最高阻帶、最低通帶、最高通帶以及窗口類型(三角窗、漢寧窗、漢明窗、凱塞窗等)等的選擇。

3 發(fā)射系統(tǒng)和采集系統(tǒng)性能測試

3.1 發(fā)射系統(tǒng)測試

通過更改不同通道的相位等參數(shù)得到圖12、13。圖12是頻率為20 kHz、幅度為5 V、相位分別0°和90°的測試結果。圖13是頻率為20 kHz、幅度為5 V、相位分別是0°、-45°和-90°的測試結果。通過測試可知，系統(tǒng)可以根據(jù)不同的實際需求發(fā)射不同相位的信號，達到相控發(fā)射的目的。

3.2 采集系統(tǒng)測試

測試采集系統(tǒng)是在上文提到的實現(xiàn)策略條件下，測試有限數(shù)據(jù)采集和連續(xù)數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定工作時能夠達到的指標。其中有限數(shù)據(jù)采集是指采集有限采樣點，連續(xù)數(shù)據(jù)采集是指根據(jù)實際需要進行不間斷的數(shù)據(jù)采集。無論有限數(shù)據(jù)采集還是連續(xù)數(shù)據(jù)采集都是對空氣中的噪聲進行的采集。

3.2.1 有限數(shù)據(jù)采集測試

有限數(shù)據(jù)采集測試了128通道在不同采樣率條件下，每通道可以采集的點數(shù)。測試結果如表2所示，當采樣率最高為2 MHz時，系統(tǒng)可以實現(xiàn)128通道點穩(wěn)定的有限數(shù)據(jù)采集，表2中不穩(wěn)定是指LabVIEW軟件會報錯。

表2 128通道在不同采樣率條件下的測試表

3.2.2連續(xù)采集性能測試

128通道進行連續(xù)數(shù)據(jù)采集時的測試結果如表3所示。在對128通道連續(xù)采集，在采樣率最大為0.7 MHz時，系統(tǒng)可以連續(xù)運行，表3中不穩(wěn)定是指LabVIEW軟件會報錯。

表3 128通道連續(xù)采集結果

4 系統(tǒng)的應用

由于高分辨率測深側掃聲吶系統(tǒng)在研制過程中對發(fā)射機部分進行了一定的改進和調(diào)整，可以用此系統(tǒng)對聲吶系統(tǒng)的發(fā)射部分進行測試和評估。

4.1 高分辨率測深側掃系統(tǒng)的發(fā)射部分檢測

高分辨率測深側掃聲吶系統(tǒng)包括水上上位機和水下探測兩部分。其中上位機向水下探測部分下發(fā)參數(shù)。上位機設置的參數(shù)：發(fā)射信號的脈沖寬度為8 ms、左舷的起始頻率為142.5 kHz，終止頻率為152.5 kHz，右舷的起始頻率為152.5 kHz，終止頻率為162.5 kHz。整個系統(tǒng)的連接如圖14所示。

4.2 系統(tǒng)測試結果

采集系統(tǒng)在采樣率為500 kHz和連續(xù)數(shù)據(jù)采集的工作條件下，測試得到的發(fā)射電壓信號波形如圖15所示，頻譜如圖16所示。根據(jù)測得的電壓波形以及頻譜，可知采集的發(fā)射信號的各個參數(shù)與實際設置的參數(shù)相同。高分辨率測深側掃系統(tǒng)的發(fā)射模塊性能良好。

5 結論

本文利用LabVIEW圖形化編程語言和相應的硬件設備，設計并實現(xiàn)了32通道的相控發(fā)射系統(tǒng)和128通道的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并利用系統(tǒng)對現(xiàn)有的高分辨率測深側掃聲吶的發(fā)射信號進行了測試。具體結論如下：

(2) 利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對現(xiàn)有的高分辨率測深側掃聲吶系統(tǒng)的發(fā)射模塊進行了測試。通過對測試結果分析表明，發(fā)射模塊工作正常，采集系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

(3) 實現(xiàn)32通道相控發(fā)射信號的生成，并可以單獨調(diào)整各個通道的相位、幅度和頻率。

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LIU Shunlan, WU Jie. Digital signal processing[M]. 2nd edition. Xian: Xian Electronic Science & Technology University Press, 2009: 246.

A general multi-channel phased transmitting and acquisition system

TANG Liang1,2, LIU Xiao-dong1, LIU Zhi-yu1

(1.Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

For sonar performance testing, a general systemthat can generate multi-channel phased-control transmitting analog signals and can acquire multi-channel receiving arrays’ output signals is needed. Through comparisons with various transmitting and acquisition systems, the visual programming language LabVIEW and corresponding hardware devices are used to develop a general testing system including 32 channels of transmitting and 128 channels of high speed data acquisition,which makes most transmitting and receiving systems coming true. The transmitting system uses direct digital synthesizer to generate 32 channels of transmitting signals with independently adjustable phases. The acquisition system uses the block reading method toimplement finite data acquisition at 2MHz sampling frequency, and uses the methods of lessening refreshing times of display and applying DAQmx configuration and log VI to achieve continuous data acquisition of 128 channels. Testing results show that the system can work at the 2MHz sampling rate for finite data acquisition of 1300000 samples per channel and at the highest 0.7MHz sampling rate for continuous data acquisition of 128 channels. While using this system to test transmitting signal of High Resolution of Bathymetry Side Scan Sonar, both the transmitting signals and the testing system work well.

phased array transmitting; high speed data acquisition; LabVIEW; stream disk

TB332 TH113.1

A

1000-3630(2016)-02-0174-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.02.016

2015-01-22;

2015-05-25

科技支撐計劃(2014BAB14B01)

唐亮(1988－), 男, 黑龍江綏化人, 碩士研究生, 研究方向為信號與信息處理。

劉曉東, E-mail: liuxd@mail.ioa.ac.cn