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高速数据采集技术发展综述


高速数据采集技术发展综述

摘要:高速数据采集系统广泛应用于军事、航天、航空、铁路、机械等诸多行业。区别于中 速及低速数据采集系统,高速数据采集系统内部包含高速电路,电路系统 1/3 以上数字逻辑 电路的时钟频率>=50MHz;对于并行采样系统,采样频率达到 50MHz,并行 8bit 以上;对 于串行采样系统,采样频率达到 200MHz,目前广泛使用的

高速数据采集系统采样频率一般 在 200KS/s~100MS/s, 分辨率 16bit~24bit。 本篇文章主要简单介绍高速数据采集技术的发展, 高速数据采集系统的结构、功能、原理、实现形式以及一些主要的应用。 关键词:高数数据采集系统、系统结构、系统原理、系统功能、实现形式、应用举例。

引言:高速数据采集技术在通信、航天、雷达等多个领域中广泛应用。随着软件无线电、通 信技术、图像采集等技术的发展,对数据采集系统的要求越来越高,不仅要求较高的采集精 度和采样速率,还要求采集设备便携化、网络化与智能化,并且需要将采集信息稳定的传输 到计算机,进行显示与数据处理。同时,以太网协议已经成为当今局域网采用的最通用的通 信协议标准。在嵌入式领域中,将以太网协议与数据采集系统相结合,形成局域网,实现方 便可靠的数据传输与控制,是当前的研究热点。 1. 高速数据采集的发展 数据采集系统起始于 20 世纪 50 年代,由于数据采集测试系统具有高速性和~定的灵活性, 可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务,因而得到了初步的认可。到了 70 年代中后期,在数据采集系统发展过程中逐渐分为两类,一类是实验室数据采集系统,另一 类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言,实验室数据采集系统多采用并行总线,工 业现场数据采集系统多采用串行数据总线。随着微型机的发展,诞生了采集器、仪表等同计 算机融为一体的数据采集系统。 由于这种数据采集系统的性能优良, 超过了传统的自动检测 仪表和专用数据采集系统,因此获得了惊人的发展他 3。随着计算机的普及应用,数据采集 系统得到了极大的发展,基于标准总线并带有高速 DSP 的高速数据采集板卡产品也越来越 多, 技术先进、 市场主流的厂商主要有 Spectrum Signal Processing, SPEC, Signatec, Acquisition Logic,Blue Wave 等公司 2001 年 Acquisition logic 公司推出了基于 PCI 总线,采样率为 500MS/s,1GS/s 的 8bit 数 据采集板卡 AL500 和 AL51G,它的存储深度分别为 64MB,256MB 和 1000MB 三种。PCI 总线为主模式,数据宽度 32bit,时钟频率 33MHz,在突发模式下传输速率可达到 133MB /s。两种板卡还同时具有数字信号处理功能:通过板卡上的现场可编程门阵列 FPGA 来实

现数字信号处理,并且能实时地完成 200MHz 输入数据带宽 2 次型插值或 400MHz 输入数 据带宽 4 次型插值运算等。2003 年 2 月 Ultraview 公司生产出了型号为 AD21250DMA 的数 据采集卡,PCI 总线、采样率 1.25GS/s、数据宽度 8bit,其存储深度 8GB。在 66MHz、 64bit 的数据宽度下,PCI 总线 DMA 模式向主机传输数据速率高达 320MB/s。此卡可以在 基于 PCI 总线的运行操作系统为 Solaris 8 Unix 的 Spare 所有平台上使用。2006 年美国安捷 伦公司推出了 8 款“Infinium DS080000B”系列示波器,测定带宽范围为 2GHz-13GHz,用于 高速串行接口等技术研发,可将最大带宽测定范围扩展至 13GHz。其产品在硬件上是通用 的,在软件上可以显示出用户可使用的带宽,并提供了 2GHz 到 13GHz 的多种型号示波器。 在此系列的产品中使用了可降低示波器误差和触发抖动的技术。此次的产品采用了软件触 发,因为硬件触发无法检测到需要测定的 10GHz 信号。利用间歇式突发信号进行触发时, 能检测到脉冲宽度为 70ps 的小突波。对于高速数据采集系统而言,基于标准总线、高速信 号处理性能、 超高速 A/D 和具有海量数据存储深度所组成的超高速数据采集系统已经成为 现代的发展趋势。在系统的设计和选用时,主要考虑这四个方面,即不仅要考虑高速数据采 集部分,还要考虑其处理器的性能、数据存储深度和标准总线接口,因为系统的整体性能已 经不再单单是高速数据采集部分的性能, 数字信号处理、 数据存储深度和标准总线接口也已 成为对系统整体性能评价的重要指标, 对于不同的应用环境和要求或不同的应用领域, 系统 的这四个组成部分会有所区别。 在自动测试、 工业控制和信号处理领域中广泛应用的标准总 线有 CompactPCI、PCI、PMC、PXI、VME 和 VXI 等,每一种总线都有不同的优缺点,所 以对于系统的性能来说总线的选择是很重要的。早期的数据采集系统基于 ISA、PCI 总线, 系统庞大而且难以扩展; 单片机的出现使数据采集系统得到了发展, 基于单片机的数据采集 系统在一段时间内广泛应用, 但单片机处理数据能力比较低; 随着数据采集的要求不断提高, 基于 DSP、FPGA 等高端微处理器的数据采集系统开始发展,同时,基于 PC 的高速数据采 集系统也日趋成熟。 将数据采集系统与个人计算机结合起来, 以实现采集和控制任务的自动 化是一种必然趋势。 2. 高速数据采集系统的结构 高速数据采集系统的结构形式多种多样,常见的分类方法有以下几种:根据适应环境不同: 隔离型和非隔离型,集中式和分布式;根据控制功能:智能化和非智能化采集系统;根据模 拟信号的性质:电压和电流信号,高电平和低电平信号,单端输入和差分输入;根据信号通 道的结构方式:单通道及多通道输入方式。 3. 高速数据采集系统基本功能 一般来说, 高数采集系统的任务是采集各种类型传感器输出的模拟信号并转换成数字信号后 输入计算机处理,得到特定的数据结果。同时将计算得到波形和数值进行显示,对各种物理 量状态监控。 4. 高速数据采集系统的结构和原理 从高速数据采集系统的硬件组成来分,有两种:集成微型计算机的数据采集系统,集散型数 据采集系统。 集散型数据采集系统由包含 A/D,AMP,DSP,FPGA 的数据采集卡组成的数据采集系统,可以 独立采集模拟和数字信号,数据通过光纤或网络传输到 PC 的硬盘进行保存及处理。 集成微型计算机的数据采集系统则是将 PC 及数据采集卡集成一体,采集卡采集完的数据直 接保存在内部的硬盘,无需通过线缆传输。 下图是基于 DSP 的数据采集系统,一般包括:AD 模数转换芯片、SDRAM 动态数据存储元 件、Flash 静态数据存储元件、HPI 主机接口、USB 接口、PCI 接口等 。

输人信号可以是语音信号、调制后 的电话信号、编码的数字信号、压 缩的图像信号,也可以是各种传感 器输出的信号。如果输人信号的幅 度较小或者过大,一般都需要经过 放大器单元将输入信号幅度放大或 者缩小后,送到 AD 进行模数转换; 如果输入信号带有较大的噪声,一 般需要经过一个硬件的模拟滤波单 元,将信号滤波整形后,送到 AD 进行模数转换。 能将模拟信号变 AD 换成数字信号,但必须满足奈奎斯 特采样定理,也就是为了保证不丢 失信息的所有信息,采样频率必须 高于输入信号最高频率的 2 倍,一 般为 5 倍以上。 变换后得到的数 AD 字信号输人到 DSP 芯片;再由 DSP 芯片对该数字信号进行各种数字信 号算法的处理。 一般的高速数据采集与处理系统主要有实时和准实时两种。前者是指采集完后马上进行处 理,采集与相继处理同时进行,同时将前面处理好的结果输出至各种输出设备。而后者是指 先采集几兆甚至几百兆字节的数据, 存在DRAM中, 处理完这一批数据后再采集下一批数据进 行处理。或者仅仅采一批数据先存在DRAM中,然后送入PC机进行后处理。在实时性要求较高 的场合,一般都要用 FPGA进行预处理,然后送至专用DSP进行处理,或者全部用FPGA进行处 理。一般而言,低层的信号预处理算法处理的数据量大,对处理速度的要求高,但运算结构 相对比较简单,适于用FPGA进行硬件实现,这样能同时兼顾速度及灵活性。高层处理算法的 特点是所处理的数据量较低层算法少,但算法的控制结构复杂,适于用运算速度高、寻址方 式灵活、通信机制强大的专用DSP芯片来实现。为了简便,将用于数据处理的FPGA专用DSP 统称为DSP,一般的超高速采集与处理系统的组成框图如下图所示。

图中 DSP 可能由单片 FPGA 或单片专用 DSP 组成,也可能由多片 FPGA 或多片专用 DSP 组成,或者是由 FPGA 和专用 DSP 共同组成。当由多片 DSP 构成系统时,DSP 之间的通信 还可能需要加上多端口 RAM 或 FIFO。当单片 A/D 能达到指标时,尽量选用单片 A/D, 因为如果用多片 A/D 来组合的话,会增加后续电路的复杂性,而且组合起来的 A/D 的有 效位数会降低 5. 高速数据采集系统性能评估

在高速应用场合,ADC 的动态特性非常重要。常用的评估动态特性的参数有:信噪比(SNR) 、 信号与噪声加失真比(SINAD) 、有效比特位数(ENOB) 、谐波失真(THD) 、无杂散动态范围 (SFDR) 、双音交调失真(双音 IMD) 、多音交调失真(多音 IMD) 、电压驻波比(VSWR)等。

AREF
其中比较重要的是 SBR,SINAD,THD,SFDR。由于当输入正弦波信号的交流功率为 时,以 dB 表示的 SNR 与 ENOB 存在如下的简单正比关系。

2 2

SNRdB ? 6.02? N ? 1.763
所以 ENOB 用得也比较多。 6. 高速数据采集的软件实现 以非连续采集方式为例, 说明如何在 VC+ +下实现高速数据采集和存储。在程序中, 采集卡 通过外部的时钟脉冲来触发工作, 时钟周期为 1ms。在第一次触发脉冲到来后, 采集卡开始 采集。采集完成后将得到的数据以 DMA 方式传送到计算机内存中。当第二次脉冲到来后, 程序将内存中的数据写入到硬盘中, 形成文件。 也就是说, 每 2ms 完成一次数据的采集与存 储。 其中, 每次采样数为 2 600, 每个采样用 16bit 来存储, 因此系统的存储速度为 5MB/ s 左 右。程序的运行流程如图 1 所示。

7. 高速数据采集系统的应用 高速数据采集与处理主要应用在激光雷达、高分辨率微波雷达、软件无线电、数字测量仪及 虚拟仪器、射频信号处理、高能物理、电子对抗中。 1 激光雷达 激光雷达(laser radar)是指用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术 相结合的产物 。由发射机 、天线 、接收机 、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各 种形式的激光器,如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐 的固体激光器等;天线是光学望远镜;接收机采用各种形式的光电探测器,如光电倍增管、 半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或 连续波 2 种工作方式, 探测方法分直接探测与外差探测。 激光雷达在军事上可用于对各种飞 行目标轨迹的测量。 如对导弹和火箭初始段的跟踪与测量, 对飞机和巡航导弹的低仰角跟踪 测量,对卫星的精密定轨等。激光雷达与红外、电视等光电设备相结合,组成地面、舰载和 机载的火力控制系统,对目标进行搜索、识别、跟踪和测量。由于激光雷达可以获取目标的 三维图像及速度信息,有利于识别隐身目标。激光雷达可以对大气进行监测,遥测大气中的 污染和毒剂,还可测量大气的温度、湿度、风速、能见度及云层高度。 激光雷达的工作波长较短,与微波雷达相比,小 3 个数量级,而且激光又是单色的相干光,

因而激光雷达呈现出极高的分辨力(包括速度、角度及距离分辨力)和抗干扰能力,使激光 雷达独具特色。 由于激光雷达在一些方面有着与常规雷达不可比拟的优势, 无论在军事上还 是在民用上都有广阔的发展前途。 激光雷达在军事领域的主要用途是用于测量飞机、 导弹、地面主战兵器、舰艇,甚至 炮弹的运动轨迹,用于测距、精确制导、目标跟踪与导航等。激光雷达在民用方面的应用也 越来越广泛。主要用途有:大气遥感和大气测量、测绘和大地测量、工业生产中的险情预报 以及港口雷达的交通管理等。 雷达对抗是指从敌方雷达及其武器系统获取信息(侦察),破坏和扰乱敌方雷达及其武器 系统得正常工作的战术、技术措施的总称。雷达对抗设备中的接收机用于截获雷达信号,由 于接收机输入信号未知,所以相对于通信、雷达接收机等而言,具有频带宽、实时性强的特 点。 传统雷达对抗接收机输入信号通过视频检波器变换成视频信号, 视频信号再进一步处理 产生脉冲描述字(PDW),随着模一数转换器(ADC)的采样率及信号处理器的处理速率的提高, 下变频后的信号,可以被高速 ADc 直接量化,再通过数字信号处理产生需要的 PDW。相对 于采用视频检波器的接收机来说, 数字化接收机更稳定可靠, 没有模拟电路中的温漂及直流

电平变化等,且采用高分辨力谱估计技术,可以得到更加精确的频率分辨率。超高速数据采 集技术研究是数字接收机的一个重要方面, 对提高数字接收机的瞬时带宽, 实时截获雷达信 号具有重大意义,本文介绍了一个具有高采样率、高速数据传输的数据采集板的设计,成功 应用于某雷达对抗设备上。 数据采集的主要任务是将雷达信号进行模数变换和存贮, 并将数据以要求的数据率和格式传 输给后续系统。系统中所要侦察的雷达信号带宽大于 1.2GHz,为了对其进行数字处理, 直接数字化所需要的采样率需大于 2.4GHz,如此高的采样率和对应的高数据率给工程实 现带来一定的难度。为此,采用超宽带模拟正交解调、I、Q 两路解调信号分别采样,采样 率选择 1.6GSPS。由于高采样率,对系统数据传输提出高的要求,FPGA 由于其内部运行 时钟频率高,体积小,逻辑资源多,接口电平丰富等优点,用来对采集到的数字信号做数据 融合,然后利用 FPGA 芯片集成的串行收发器模块(GXB)以及光纤接口来进行数据传输,可 以满足海量数据传输的要求。由于需要保留基带零频信号,设计中舍弃电路简单的变压器, 采用差频、移相等功能的时钟管理芯片来处理采样时钟,这样可以对采样时钟进行调整,满 足电路模块化、通用化的需求。

2 软件无线电 软件无线电是最近几年提出的一种实现无线通讯的体系结构。 软件无线电思想的基本概念是 把硬件作为无线通信的基本平台, 而把尽可能多的无线及个人通信功能用软件来实现。 从技 术实现来看, 决定性的步骤在于将 A/D 和 D/A 变换器尽量向射频端靠拢。 应用宽带天线或 多频段天线,在整个中频段作 A/D 变换,这之后的整个处理用 FPGA 或 DSP 实现。这就使得 系统应用非常灵活,一套硬件系统可用于多种通信体系,系统升级也非常方便。 3 数字测量仪及虚拟仪器 随着技术的发展, 传统的模拟仪器在很多场合已经无法满足需要, 逐渐被各种数字测量仪取 代。例如宽带数字示波器,逻辑分析仪,频谱分析仪等。现在的宽带数字示波器采样率已达 到 40GSPS 左右。 虚拟仪器的出现是测试仪器领域的一场新的革命, 是测试仪器与计算机深层次的结合。 虚拟 仪器的主要组成就是用一套通用的数据采集系统通过不同的接口接入计算机, 在计算机上实 现各种测量功能。虚拟仪器与传统仪器相比,具有以下几个特点。 1)传统仪器的面板只有一个,其上布置着种类繁多的显示与操作元件。由此导致许多认读 与操作错误。而虚拟仪器可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样,在

每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简洁化, 从而提高操作的正确性与 便捷性。 同时,虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准件和加工工艺的限制, 而由编程来实现,设计者可以根据用户的认知要求和操作要求设计仪器面板。 2)通用硬件平台确定后,由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。 3)仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的,而不是事先由厂家定义好的。 4)仪器的改进和功能扩展只需相关软件设计更新,而不需购买新的仪器。 8. 结束语 目前,可内嵌的高速、高精度、低功耗数据转换器成为模拟集成电路领域中的研究热点。其 原因是,l、与模拟信号相比,数字信号具有便于存储、转移、保真度和可靠性高等优点, 因此,在过去的20年,各国的研究机构对数字技术的发展非常重视,另外,随着CMOS工艺水 平的长足进步和数字系统设计软件的日趋成熟, 使数字系统无论是在处理能力还是处理速度 上都取得了飞速的发展。 相对而言, 模拟和数模接口电路的设计在过去的几十年没有得到足 够的重视, 加之模拟设计软件也不够成熟, 使模拟尤其是数模接口电路的发展落后于数字电 路的发展,因此,在一些包括数模接口的电子系统,象数字视频系统和数字通信系统中,接 口电路的性能(如速度、精度)成为限制整个系统性能的瓶颈;2、由于靠电池供电的便携式 设备日益普及,也要求在达到高速、高精度的前提下,消耗尽可能小的功耗,以维持较长的 待机时间;3、随着单片系统集成的快速发展,要求接口电路和数字系统集成在一块芯片上, 这对降低成本、提高性能具有很重要的意义。随着数据采集技术的发展,数据采集设备的采 样频率越来越高,由以前的数百K发展到目前的几十兆,甚至上百兆。因此产生的数据量也随 之大大增加。如何利用计算机实现高速数据采集和存储,是工业控制中面临的一个问题。由 于采样频率很高,每次采集动作的时间间隔很短,高的CPU处理能力和慢速的I/ O 操作产生矛 盾, 造成数据的遗漏和丢失,甚至产生错误的数据。因此需要采用新的方法,结合硬件的特点 以实现所要求的功能。

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