基于数据流盘的数据采集平台设计

淮骞+苏新彦

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P义15122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。

关键词：数据存储；PX15122；高速采集；双通道；流盘存储

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.9.008

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PX15122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PXle总线进行数据流盘的架构设计，PXle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PXle5122板卡为硬件平台进行开发设计的，使用普通的PXle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PX15122实现。PX15122是一款能以100MS/s最大实时采样率，高达2.OGS/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电壓输入，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]。

1.3.1 前面板的设计

平台的系统设计需要考虑带宽、采样速率、分辨率、动态范围、触发、板载内存等因素。并且主面板的设计除了上面所说的那些因素，还包括参数的配置、功能按键、波形显示窗口和波形的测量等一系列具体功能的实现。

通过分析了解示波器的各个功能模块，以及结合传统示波器的仪器界面，我们设计出了如图4所示的操作界面，用户可以直观地看出示波器上面的各个功能模块。

1.3.2 数据采集模块

在各个参数设置完成后，点击数据采集按钮可实现信号的数据采集，数据采集流程图如图5所示。单次触发数据采集主要通过触发实现，通过设置触发位置可以实现双通道的同步触发采集，这使得两个通道共用一个水平时基，这对内弹道弹丸速度的测试非常重要，在实际的测试中同时采集弹丸点火信号和回波信号可以快速地确定弹丸膛内的起始位置。连续采集的实现通过不断的查询采集状态直至采集完成，同时绘制波形用以实现在弹丸发射前观察雷达信号和炮管内低速运动目标回波信号，保持雷达在弹丸径向运动方向上。

1.3.3 基于流盘技术的数据存储设计endprint

HWS是一种分级存储波形数据的数据存储格式，它不仅可以存储多个通道的波形数据及相关信息，而且具有数据压缩功能，适用于数量大的数据文件的存取。

HWS文件的分层结构依次为：文件、组和数据。一个单一的HWS文件可以包含多个组，每个组可以包含多个波形数据。Labwindows/CVI提供了HWS的底层驱动函数，这些函数可以帮助我们实现数据的存取功能。具体HWS文件格式波形数据的存储方法为：

HWS数据格式文件的存储流程如图6所示。首先调用ni HWS_Open File0函数打开一个待写入的HWS格式文件，其次使用ni HWS_New Wfm Reference（）获取波形信息及波形属性信息，最后调用HWS文件的写入函数，将数据及属性信息写入文件中。数捤存储的主要函数如表1所示。

2 子系统的测试及分析

2.1单次采集测试

单次采集是通过外场试验验证子系统各项功能指标。如图7所示，试验时多普勒测速雷达的工作频率为95GHz，炮口直径30mm，雷达与炮口之间的距离为lOm，采样速率20MS/s，采样时间是lOs，设置为外部触发，触发电平为5V，触发位置10%，点火装置第一次输出3.5V，第二次输出10V，等待触发延时50s。

点击“单次采集”按钮后等待触发电平，当第二次按下点火裝置后，采集的有效数据波形如图8所示，图中波形为放大后的波形图，由于采样点数较多，因此需要放大后观察波形，由图8可知，有效信号符合弹丸回波信号的一般规律。

采集完成后的存储在计算机中的文件为signal_acquire.hws，如图9所示，其大小约为200M。

2.2 连续采集测试

连续采集主要用于观察膛内运动目标回波信号的质量，因此可以通过信号发生器对其进行测试。将信号发生器的两路正弦信号接入数据获取模块，通道0接入2VPP，1OkHz的正弦信号，通道1接入4VPP，lOkHz，占空比为50%的的方波信号，进行连续采集后获取到的波形如图10所示，频率和占空比测试结果如图1 1所示。单次采集和连续采集不能同时进行。由图10、图1 1可知，信号的波形与设置波形参数基本符合。

3 结论

本文介绍了流盘技术的数据采集系统的总体设计以及各模块的设计思路，最后通过实际获取波形数据示波测试，说明该系统可用于多通道高速连续大量的数据采集示波，较好地解决了在外场内弹道试验中对数据采集需要高速、高精度以及较高的数据内存的需求，为以后的火炮测试提供了一种新的方法。

参考文献：

[1]裴雷雷达对抗效能评估系统与仿真[D]西安：西安电子科技大学，2013

[2]张重雄，邱华，张先盟火箭助飞式声干扰器空中弹道的测试方法[J]信息与电子工程2006，（02）94-97

[3]翟盼盼交错多通道信号的采样及重构方法研究[D]河南：河南大学，2014

[4]刘军数字万用表VX，模块设计[D]广西：电子科技大学，2008

[5]赵忠，李更新，林太刚基于Nl Compact DAQ的惯性器件性能评估系统[J]自动化技术与应用，2014，（04）：74-78

[6]李俊荻，张睛晖虚拟任意波形发生器的软件设计[J]电脑知识与技术，2008 （36）：3006-3009

[7）闫利利.基于Linux的LXI示波器模块软件设计[D]成都电子科大学2014

[8]周细凤，曾荣周，李贞基于LABVIEW的虚拟示波器的研究与应用[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总线高速数据采集卡的设计[D]山西：中北大学2011endprint