基于数据流盘的数据采集平台设计

作者/ 淮骞 苏新彦 中北大学信息探测与处理技术重点实验室(山西 太原 030051)

　　*基金项目：国家自然科学基金(编号：61601412)

　　淮骞(1990-)，男，硕士生，研究方向：信号与信息处理;苏新彦，女，副教授，研究方向：雷达信息获取和处理技术、电磁兼容等。

摘要：在外场内弹道的试验中，由于实验的需求往往需要高速、大量、高精度的实时数据采集存储设备，而通用示波器由于存储能力有限，数据采集效率不够高而无法满足实验的需求，结果往往是采集的数据不准确而导致以后的研究放缓甚至会让科研人员产生错误的判断。针对这一问题，设计了以高速数据采集板卡PXI5122为硬件平台的双通道高速数据采集系统。实验结果表明，通过流盘存储技术实现了对数据的高速大量采集，并且还针对内弹道弹丸实验需求设计了专用的数据采集系统。

引言

　　随着计算机技术和微电子技术的高速发展，数字系统被广泛应用于国民经济、国防建设和科学试验等各个领域，数据采集己成为实现数字系统的关键技术之一。在内弹道测试的外场试验中，往往对实时数据采集存储的存储容量、速度精度都有较高的要求，而通用示波器由于存储能力有限，数据采集效率不高，因而无法满足实验的需求。本文以高速数据采集板卡PXI5122为硬件平台设计的双通道高速数据采集平台，通过流盘存储技术实现了数据的高速大量采集存储，并且针对内弹道弹丸实验需求设计了专用的数据采集系统。

1 设计方案

　　系统的设计方案总体分为三大部分，即数据采集子系统硬件平台设计、数据采集子系统软件设计以及两部分的测试预分析。

1.1 多普勒信号数据流盘存储架构

　　流盘存储是指以足够维持连续采集的高速率将数据传输至仪器或仪器输出，因此它的数据的大小和传输速率会影响它的性能，如果要实现高效率的流盘，必须对流盘的架构进行合理的设计，以确保系统能够更好地满足外场试验中内弹道弹丸多普勒信号数据采集存储。

　　本文使用普通的PXIe总线进行数据流盘的架构设计，PXIe是一种串行总线，单线传输速率能够达到250MB/s，数据获取子系统是以PXIe5122板卡为硬件平台进行开发设计的，使用普通的 PXIe 总线数据流盘架构对子系统的数据存储进行设计，其设计框图如图1所示。在进行数据采集时，首先将采集到的数据存储在板卡的板载缓存上，然后直接传输到I/O总线上，最后通过计算机RAM、CPU传输到硬盘中，一般情况下的存取速度的瓶颈主要受读写硬盘速度的制约，通常在100MB/s以上，完全满足连续采集存储的要求，只要电脑硬盘足够大可以实现数据不断地高速采集。

1.2 系统硬件平台的设计

　　数据采集子系统硬件平台的设计是通过AMC智能平板与PXI总线搭数据采集板卡PXI5122实现。PXI5122是一款能以100MS/s最大实时采样率，高达2.0GS/s的等效时间采样，具有软件可选的动态范围，50Ω或1MΩ电阻输入，200mV到20V电压输入，并配置由50多个内置测量与分析函数的高分辨率板卡。通过对它的底层仪器驱动函数进行设计，可以实现高速双通道的数据采集、示波、存取和计算。

　　数据子系统硬件平台架构框图如图2所示。由图2可知，数据子系统的设计主要包括三个部分，即通道数据采集、触发事件控制和数据流盘方式存储。通道数据采集分为连续采集和单次采集，连续采集主要用于观察膛内信号的质量，实际实验过程中可以利用模拟弹丸在膛内来回的运动来判断雷达与弹丸轨迹是否在同一条直线上，从而确保测速雷达可以采集到较强的多普勒信号，所以设计为连续覆写板载内存空间，并不对信号数据进行存储;单次数据采集主要是以外部触发事件控制进行数据的采集存储，当系统软件被触发时，计算机通过PXI总线读取板载内存中的数据并保存到它的硬盘空间中。

1.3 数据采集系统软件平台的设计

　　数据采集系统软件平台的设计目的是针对多普勒测速雷达的回波信号进行数据的采集、波形显示以及波形的时域分析。在确保系统具有良好工作性能的前提下，设计出简洁、有针对性的软件操作平台，提高系统在工程领域的应用效率和价值。

　　软件系统的主要功能是实现对示波器硬件模块的初始化、参数设置、数据采集、波形显示和波形分析等^[4]。

　　软件系统的整体运行结构如图3所示，软件系统运行后，首先会搜寻板卡仪器，确定机箱中是否存在该仪器，如果没有搜索到设备就会报错，如果仪器存在就会自动加载仪器驱动，对仪器进行初始化，从而进行参数的设置，包括通道参数、时基参数以及触发参数，然后开始采集，先判断是哪种采集模式，从而进行相应的采集，最后在显示面板上绘制出波形，需要注意的一点是连续采集和单次采集不能同时进行。在进行数据采集时可以对采集的波形进行参数测量和频域分析，并显示在面板中^[6]。