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

淮騫+蘇新彥

摘要：在外場內(nèi)彈道的試驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)的需求往往需要高速、大量、高精度的實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(cuò)誤的判斷。針對這一問題，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過流盤存儲技術(shù)實(shí)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(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)、國防建設(shè)和科學(xué)試驗(yàn)等各個(gè)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集己成為實(shí)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(yàn)中，往往對實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)的雙通道高速數(shù)據(jù)采集平臺，通過流盤存儲技術(shù)實(shí)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(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)了專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)高效率的流盤，必須對流盤的架構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)能夠更好地滿足外場試驗(yàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)流盤的架構(gòu)設(shè)計(jì)，PXle是一種串行總線，單線傳輸速率能夠達(dá)到250MB/s，數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)是以PXle5122板卡為硬件平臺進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，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(jì)算機(jī)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(shí)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(jì)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計(jì)是通過AMC智能平板與PXI總線搭數(shù)據(jù)采集板卡PX15122實(shí)現(xiàn)。PX15122是一款能以100MS/s最大實(shí)時(shí)采樣率，高達(dá)2.OGS/s的等效時(shí)間采樣，具有軟件可選的動(dòng)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(gè)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(dòng)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)高速雙通道的數(shù)據(jù)采集、示波、存取和計(jì)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(jì)主要包括三個(gè)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(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中可以利用模擬彈丸在膛內(nèi)來回的運(yùn)動(dòng)來判斷雷達(dá)與彈丸軌跡是否在同一條直線上，從而確保測速雷達(dá)可以采集到較強(qiáng)的多普勒信號，所以設(shè)計(jì)為連續(xù)覆寫板載內(nèi)存空間，并不對信號數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)的采集存儲，當(dāng)系統(tǒng)軟件被觸發(fā)時(shí)，計(jì)算機(jī)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(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計(jì)目的是針對多普勒測速雷達(dá)的回波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、波形顯示以及波形的時(shí)域分析。在確保系統(tǒng)具有良好工作性能的前提下，設(shè)計(jì)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(jià)值。

軟件系統(tǒng)的主要功能是實(shí)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(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖3所示，軟件系統(tǒng)運(yùn)行后，首先會搜尋板卡儀器，確定機(jī)箱中是否存在該儀器，如果沒有搜索到設(shè)備就會報(bào)錯(cuò)，如果儀器存在就會自動(dòng)加載儀器驅(qū)動(dòng)，對儀器進(jìn)行初始化，從而進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，包括通道參數(shù)、時(shí)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(jìn)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(diǎn)是連續(xù)采集和單次采集不能同時(shí)進(jìn)行。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)可以對采集的波形進(jìn)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(jì)

平臺的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮帶寬、采樣速率、分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、觸發(fā)、板載內(nèi)存等因素。并且主面板的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。

通過分析了解示波器的各個(gè)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(jì)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(gè)功能模塊。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

在各個(gè)參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集按鈕可實(shí)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(shí)現(xiàn)，通過設(shè)置觸發(fā)位置可以實(shí)現(xiàn)雙通道的同步觸發(fā)采集，這使得兩個(gè)通道共用一個(gè)水平時(shí)基，這對內(nèi)彈道彈丸速度的測試非常重要，在實(shí)際的測試中同時(shí)采集彈丸點(diǎn)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(shí)現(xiàn)通過不斷的查詢采集狀態(tài)直至采集完成，同時(shí)繪制波形用以實(shí)現(xiàn)在彈丸發(fā)射前觀察雷達(dá)信號和炮管內(nèi)低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號，保持雷達(dá)在彈丸徑向運(yùn)動(dòng)方向上。

1.3.3 基于流盤技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)單一的HWS文件可以包含多個(gè)組，每個(gè)組可以包含多個(gè)波形數(shù)據(jù)。Labwindows/CVI提供了HWS的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)，這些函數(shù)可以幫助我們實(shí)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(gè)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(yàn)驗(yàn)證子系統(tǒng)各項(xiàng)功能指標(biāo)。如圖7所示，試驗(yàn)時(shí)多普勒測速雷達(dá)的工作頻率為95GHz，炮口直徑30mm，雷達(dá)與炮口之間的距離為lOm，采樣速率20MS/s，采樣時(shí)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(diǎn)火裝置第一次輸出3.5V，第二次輸出10V，等待觸發(fā)延時(shí)50s。

點(diǎn)擊“單次采集”按鈕后等待觸發(fā)電平，當(dāng)?shù)诙伟聪曼c(diǎn)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(diǎn)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(jì)算機(jī)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(yùn)動(dòng)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(jìn)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(jìn)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(shí)進(jìn)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(jì)以及各模塊的設(shè)計(jì)思路，最后通過實(shí)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(yàn)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。

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