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SpectrumSignalProcessing，SPEC，Signatec，AcquisitionLogic，BlueWave等公司2001年Acquisitionlogic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Solaris8Unix的Spare所有平台上使用。2006年美国安捷伦公司推出了8款“InfiniumDS080000B”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。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。AD能将模拟信号变换成数字信号，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。AD变换后得到的数字信号输人到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。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。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22REFA时，以dB表示的SNR与ENOB存在如下的简单正比关系。763.102.6dNSNRB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2600,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（laserradar）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