基于數(shù)據(jù)流盤的數(shù)據(jù)采集平臺設(shè)計

淮騫+蘇新彥

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(zhǔn)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P義15122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)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)存儲；PX15122；高速采集；雙通道；流盤存儲

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.9.008

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PX15122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PXle總線進行數(shù)據(jù)流盤的架構(gòu)設(shè)計，PXle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PXle5122板卡為硬件平臺進行開發(fā)設(shè)計的，使用普通的PXle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PX15122實現(xiàn)。PX15122是一款能以100MS/s最大實時采樣率，高達2.OGS/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]。

1.3.1 前面板的設(shè)計

平臺的系統(tǒng)設(shè)計需要考慮帶寬、采樣速率、分辨率、動態(tài)范圍、觸發(fā)、板載內(nèi)存等因素。并且主面板的設(shè)計除了上面所說的那些因素，還包括參數(shù)的配置、功能按鍵、波形顯示窗口和波形的測量等一系列具體功能的實現(xiàn)。

通過分析了解示波器的各個功能模塊，以及結(jié)合傳統(tǒng)示波器的儀器界面，我們設(shè)計出了如圖4所示的操作界面，用戶可以直觀地看出示波器上面的各個功能模塊。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

在各個參數(shù)設(shè)置完成后，點擊數(shù)據(jù)采集按鈕可實現(xiàn)信號的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集流程圖如圖5所示。單次觸發(fā)數(shù)據(jù)采集主要通過觸發(fā)實現(xiàn)，通過設(shè)置觸發(fā)位置可以實現(xiàn)雙通道的同步觸發(fā)采集，這使得兩個通道共用一個水平時基，這對內(nèi)彈道彈丸速度的測試非常重要，在實際的測試中同時采集彈丸點火信號和回波信號可以快速地確定彈丸膛內(nèi)的起始位置。連續(xù)采集的實現(xiàn)通過不斷的查詢采集狀態(tài)直至采集完成，同時繪制波形用以實現(xiàn)在彈丸發(fā)射前觀察雷達信號和炮管內(nèi)低速運動目標(biāo)回波信號，保持雷達在彈丸徑向運動方向上。

1.3.3 基于流盤技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲設(shè)計endprint

HWS是一種分級存儲波形數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲格式，它不僅可以存儲多個通道的波形數(shù)據(jù)及相關(guān)信息，而且具有數(shù)據(jù)壓縮功能，適用于數(shù)量大的數(shù)據(jù)文件的存取。

HWS文件的分層結(jié)構(gòu)依次為：文件、組和數(shù)據(jù)。一個單一的HWS文件可以包含多個組，每個組可以包含多個波形數(shù)據(jù)。Labwindows/CVI提供了HWS的底層驅(qū)動函數(shù)，這些函數(shù)可以幫助我們實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取功能。具體HWS文件格式波形數(shù)據(jù)的存儲方法為：

HWS數(shù)據(jù)格式文件的存儲流程如圖6所示。首先調(diào)用ni HWS_Open File0函數(shù)打開一個待寫入的HWS格式文件，其次使用ni HWS_New Wfm Reference（）獲取波形信息及波形屬性信息，最后調(diào)用HWS文件的寫入函數(shù)，將數(shù)據(jù)及屬性信息寫入文件中。數(shù)捤存儲的主要函數(shù)如表1所示。

2 子系統(tǒng)的測試及分析

2.1單次采集測試

單次采集是通過外場試驗驗證子系統(tǒng)各項功能指標(biāo)。如圖7所示，試驗時多普勒測速雷達的工作頻率為95GHz，炮口直徑30mm，雷達與炮口之間的距離為lOm，采樣速率20MS/s，采樣時間是lOs，設(shè)置為外部觸發(fā)，觸發(fā)電平為5V，觸發(fā)位置10%，點火裝置第一次輸出3.5V，第二次輸出10V，等待觸發(fā)延時50s。

點擊“單次采集”按鈕后等待觸發(fā)電平，當(dāng)?shù)诙伟聪曼c火裝置后，采集的有效數(shù)據(jù)波形如圖8所示，圖中波形為放大后的波形圖，由于采樣點數(shù)較多，因此需要放大后觀察波形，由圖8可知，有效信號符合彈丸回波信號的一般規(guī)律。

采集完成后的存儲在計算機中的文件為signal_acquire.hws，如圖9所示，其大小約為200M。

2.2 連續(xù)采集測試

連續(xù)采集主要用于觀察膛內(nèi)運動目標(biāo)回波信號的質(zhì)量，因此可以通過信號發(fā)生器對其進行測試。將信號發(fā)生器的兩路正弦信號接入數(shù)據(jù)獲取模塊，通道0接入2VPP，1OkHz的正弦信號，通道1接入4VPP，lOkHz，占空比為50%的的方波信號，進行連續(xù)采集后獲取到的波形如圖10所示，頻率和占空比測試結(jié)果如圖1 1所示。單次采集和連續(xù)采集不能同時進行。由圖10、圖1 1可知，信號的波形與設(shè)置波形參數(shù)基本符合。

3 結(jié)論

本文介紹了流盤技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計以及各模塊的設(shè)計思路，最后通過實際獲取波形數(shù)據(jù)示波測試，說明該系統(tǒng)可用于多通道高速連續(xù)大量的數(shù)據(jù)采集示波，較好地解決了在外場內(nèi)彈道試驗中對數(shù)據(jù)采集需要高速、高精度以及較高的數(shù)據(jù)內(nèi)存的需求，為以后的火炮測試提供了一種新的方法。

參考文獻：

[1]裴雷雷達對抗效能評估系統(tǒng)與仿真[D]西安：西安電子科技大學(xué)，2013

[2]張重雄，邱華，張先盟火箭助飛式聲干擾器空中彈道的測試方法[J]信息與電子工程2006，（02）94-97

[3]翟盼盼交錯多通道信號的采樣及重構(gòu)方法研究[D]河南：河南大學(xué)，2014

[4]劉軍數(shù)字萬用表VX，模塊設(shè)計[D]廣西：電子科技大學(xué)，2008

[5]趙忠，李更新，林太剛基于Nl Compact DAQ的慣性器件性能評估系統(tǒng)[J]自動化技術(shù)與應(yīng)用，2014，（04）：74-78

[6]李俊荻，張睛暉虛擬任意波形發(fā)生器的軟件設(shè)計[J]電腦知識與技術(shù)，2008 （36）：3006-3009

[7）閆利利.基于Linux的LXI示波器模塊軟件設(shè)計[D]成都電子科大學(xué)2014

[8]周細鳳，曾榮周，李貞基于LABVIEW的虛擬示波器的研究與應(yīng)用[J].2014，（01））1-7

[9] Duraiappah，Lokesh， National Instruments Synchronization and Memory Core-A ModernArchitecture for Mixed Signal Test White Paper （National Instruments， Austin TX）， 2003

[10]潘玉霞基于PCI Express總線高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計[D]山西：中北大學(xué)2011endprint