一種通用多通道高頻相控發射和采集系統

唐亮，劉曉東，劉治宇

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一種通用多通道高頻相控發射和采集系統

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據采集系統。通過多種高速數據采集和信號發射方案的對比，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通道發射和128通道高速數據采集系統，用于多數聲吶系統的性能檢測。發射系統利用直接數字合成技術，生成可以單獨調節相位的32通道正弦信號；采集系統采用分塊讀取減少緩沖區數據占用的方式，實現有限數據采集，并采用減少顯示圖形更新次數、使用DAQmx配置記錄函數等方法，實現連續數據采集。測試結果表明，系統實現在采樣率為2 MHz時，128通道中每通道1 300 000點的有限數據采集，以及采樣率最高為0.7 MHz的128通道的連續數據采集。利用該系統對高分辨率測深側掃聲吶的發射信號進行檢測，發射信號正常，系統工作良好。

相控發射；高速數據采集；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過程中的聲吶系統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達到上百個左右。例如專利[1]中的聲吶系統的工作頻率為150 kHz，通道數為96個；又如文獻[2]中聲吶系統工作頻率為12 kHz，發射通道七百多個，接收通道64個。除了以上方面，隨著技術更新速度的加快，需要快速地實現對信號的處理或者快速對原理進行驗證，這就要求系統具有一定的通用性。綜上所述，為了實現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，需要通道數多的發射系統以及通道數多、采樣率高、數據吞吐量大，同時具有一定通用性的數據采集系統。

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32通道的相控發射系統和128通道的高速數據采集系統。發射系統可以根據不同需求設定不同的相位、幅度以及頻率等；采集系統可以實現高速(最高2 MHz/通道)有限數據采集和長時間連續數據(最高700 kHz/通道)采集，并實現對采集數據的回放、頻譜分析和數字濾波等數據處理操作，且可利用系統對高分辨率測深側掃聲吶的發射信號進行檢測。

1 實現多通道發射和采集系統方法對比

實現多通道高速數據發射和采集有多種方法，如文獻[2]中使用多個專用的發射板進行多通道發射，使用專用的前放板、多個A/D芯片、控制板、CPU板及數據存儲服務器等實現多通道數據采集和存儲，其系統連接如圖1所示；或者利用一些商用平臺實現多通道的高速數據采集[3]和發射，其系統的構建方式一般如圖2所示。考慮到多通道高速采集系統的難點在于每秒上百兆數據的實時存儲，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的讀寫速度[4]。文獻[2]中的系統采用CPCI總線進行數據傳輸，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總線。發射和采集系統的不同實現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射和采集系統通用性較弱，設備比較復雜，成本比較高，軟件開發也比較復雜。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，我們的系統選擇NI平臺實現多通道發射和多通道高速數據采集。

Fig2 Commercial multi-channel transmitting and acquisition system

表1 多通道發射和采集系統不同實現方式性能對比

2 系統構建

NI多通道發射和采集系統由圖形化編程語言LabVIEW編寫的軟件系統和相應的硬件系統組成。

2.1 硬件系統

硬件系統由機箱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的系統帶寬。PXIe-8133是具有四核、CPU的時鐘頻率為1.73 GHz、標準內存為2 G、系統帶寬高達8 GB/s的處理器。PXIe-6368是多功能的數據采集設備，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

軟件系統包括發射系統和采集系統。采集系統還包括參數設置、數據流盤和數據回放三個部分。其中，參數設置主要包括：通道選擇和其他參數設置。數據流盤包括：數據采集、數據顯示和數據存盤。數據回放包括：波形回放、頻譜分析和數字濾波。軟件系統組成如圖4所示。

2.2.1 發射系統

發射系統利用4塊FPGA板卡PXI-7842R產生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。發射系統利用DDS(direct digital synthesizer)產生正弦信號，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。查找表用于實現從相位累加器輸出的值到正弦幅度值的轉換，然后把輸出送到數模轉換器中將數字量轉變成模擬量，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如圖6所示。發射信號參數設置的前面板如圖7所示。

2.2.2 采集系統

(1) 參數設置

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

(2) 數據流盤

數據流盤的關鍵點在于多個通道之間的信號之間不能發生偏移，怎樣實現多通道大數據量的流盤，以及數據顯示對流盤速率的影響。

進行多通道數據采集時，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，當主設備運行時，從設備也立即運行，從而實現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對數據流的控制，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，從而實現從設備的運行早于主設備。具體實現如圖9所示。

采集方式分為有限數據采集和連續數據采集。有限數據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注意數據的安全性，會備份數據。當處理大量數據時，大量的數據副本可能會導致內存溢出錯誤。為避免創建大量數據副本，可減少每個副本的大小，即可以將數據分塊。數據分塊時產生的數據副本對數據吞吐率有一定影響，所以，最好最小化這些副本。本軟件系統通過分塊策略實現采樣率2 MHz時最多采集點的有限數據采集。連續數據采集應用在采樣率相對較小的情況下，進行長時間的數據采集時使用。其中連續數據采集使用DAQmx配置記錄函數，它利用DMA方式進行數據傳輸，即將原始數據從采集板卡直接傳輸到硬盤，而用其他方式如“生產者-消費者”模型進行流盤，需要經過DAQmx 緩存、LabVIEW 內存、TDMS 內存、windows 緩存[6]，減緩流盤的速率。程序實現如圖10所示。

進行數據顯示的作用是檢查采集數據的正確性。但是數據顯示特別是圖表或者圖像類型，都會使系統的速度變慢。在不影響數據查看的情況下，顯示的數據點數少一些或者圖形的更新頻率更低一些，都能提高系統的性能。基于以上的原因，實現每10次循環才更新一次圖形。具體是通過“商與余數”函數的余數輸出是否為0以及條件結構，實現每10次循環才更新一次波形圖表。

(3) 數據回放

數據回放主要是對采集的數據進行處理，包括對采集數據進行回放、頻譜分析以及數字濾波等。

高速數據采集時，由于采樣速率快，對采集的數據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，而此時數據采集還在不斷進行。由于圖形顯示的更新會使數據的讀取速度變慢，進而造成數據的溢出。為了查看采集的各個通道的數據波形，可以在數據采集結束后，通過讀取已經存儲在指定文件夾的數據，進而顯示采集的所有數據同時查看數據的有效性。

利用LabVIEW的FFT模塊進行快速傅里葉變換后再經過復數轉極坐標模塊，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為單邊頻譜。具體的程序實現如圖11所示。

數字濾波器是數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獲得較高的選擇性，存儲單元少，運算次數少，較為經濟[7]。在水聲應用中，對相位要求較高，所以此系統主要采用FIR數字濾波。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 發射系統和采集系統性能測試

3.1 發射系統測試

通過更改不同通道的相位等參數得到圖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，系統可以根據不同的實際需求發射不同相位的信號，達到相控發射的目的。

3.2 采集系統測試

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

3.2.1 有限數據采集測試

有限數據采集測試了128通道在不同采樣率條件下，每通道可以采集的點數。測試結果如表2所示，當采樣率最高為2 MHz時，系統可以實現128通道點穩定的有限數據采集，表2中不穩定是指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連續采集性能測試

128通道進行連續數據采集時的測試結果如表3所示。在對128通道連續采集，在采樣率最大為0.7 MHz時，系統可以連續運行，表3中不穩定是指LabVIEW軟件會報錯。

表3 128通道連續采集結果

4 系統的應用

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

4.1 高分辨率測深側掃系統的發射部分檢測

高分辨率測深側掃聲吶系統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參數。上位機設置的參數：發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。整個系統的連接如圖14所示。

4.2 系統測試結果

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

5 結論

本文利用LabVIEW圖形化編程語言和相應的硬件設備，設計并實現了32通道的相控發射系統和128通道的高速數據采集系統，并利用系統對現有的高分辨率測深側掃聲吶的發射信號進行了測試。具體結論如下：

(2) 利用數據采集系統對現有的高分辨率測深側掃聲吶系統的發射模塊進行了測試。通過對測試結果分析表明，發射模塊工作正常，采集系統性能穩定。

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

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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