唐亮，劉曉東，劉治宇

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一種通用多通道高頻相控發(fā)射和采集系統(tǒng)

唐亮1,2，劉曉東1，劉治宇1

(1. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

聲吶系統(tǒng)性能檢測(cè)需要一種多通道可控相位信號(hào)和多通道大容量高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過多種高速數(shù)據(jù)采集和信號(hào)發(fā)射方案的對(duì)比，選用基于圖形化編程語言LabVIEW和相應(yīng)的硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)、研制了一種32通道發(fā)射和128通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于多數(shù)聲吶系統(tǒng)的性能檢測(cè)。發(fā)射系統(tǒng)利用直接數(shù)字合成技術(shù)，生成可以單獨(dú)調(diào)節(jié)相位的32通道正弦信號(hào)；采集系統(tǒng)采用分塊讀取減少緩沖區(qū)數(shù)據(jù)占用的方式，實(shí)現(xiàn)有限數(shù)據(jù)采集，并采用減少顯示圖形更新次數(shù)、使用DAQmx配置記錄函數(shù)等方法，實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)采集。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在采樣率為2 MHz時(shí)，128通道中每通道1 300 000點(diǎn)的有限數(shù)據(jù)采集，以及采樣率最高為0.7 MHz的128通道的連續(xù)數(shù)據(jù)采集。利用該系統(tǒng)對(duì)高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲吶的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)射信號(hào)正常，系統(tǒng)工作良好。

相控發(fā)射；高速數(shù)據(jù)采集；圖形化編程語言LabVIEW；流盤

0 引言

海洋聲學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有時(shí)需要對(duì)開發(fā)過程中的聲吶系統(tǒng)性能進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，或者對(duì)算法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。而海洋聲學(xué)技術(shù)中信號(hào)的工作頻率分布較廣，且有的設(shè)備的通道數(shù)達(dá)到上百個(gè)左右。例如專利[1]中的聲吶系統(tǒng)的工作頻率為150 kHz，通道數(shù)為96個(gè)；又如文獻(xiàn)[2]中聲吶系統(tǒng)工作頻率為12 kHz，發(fā)射通道七百多個(gè)，接收通道64個(gè)。除了以上方面，隨著技術(shù)更新速度的加快，需要快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理或者快速對(duì)原理進(jìn)行驗(yàn)證，這就要求系統(tǒng)具有一定的通用性。綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)聲吶設(shè)備性能檢測(cè)和評(píng)估以及驗(yàn)證算法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，需要通道數(shù)多的發(fā)射系統(tǒng)以及通道數(shù)多、采樣率高、數(shù)據(jù)吞吐量大，同時(shí)具有一定通用性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

本文通過對(duì)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(tái)，實(shí)現(xiàn)32通道的相控發(fā)射系統(tǒng)和128通道的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)可以根據(jù)不同需求設(shè)定不同的相位、幅度以及頻率等；采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高速(最高2 MHz/通道)有限數(shù)據(jù)采集和長時(shí)間連續(xù)數(shù)據(jù)(最高700 kHz/通道)采集，并實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的回放、頻譜分析和數(shù)字濾波等數(shù)據(jù)處理操作，且可利用系統(tǒng)對(duì)高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲吶的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

1 實(shí)現(xiàn)多通道發(fā)射和采集系統(tǒng)方法對(duì)比

實(shí)現(xiàn)多通道高速數(shù)據(jù)發(fā)射和采集有多種方法，如文獻(xiàn)[2]中使用多個(gè)專用的發(fā)射板進(jìn)行多通道發(fā)射，使用專用的前放板、多個(gè)A/D芯片、控制板、CPU板及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器等實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，其系統(tǒng)連接如圖1所示；或者利用一些商用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多通道的高速數(shù)據(jù)采集[3]和發(fā)射，其系統(tǒng)的構(gòu)建方式一般如圖2所示?？紤]到多通道高速采集系統(tǒng)的難點(diǎn)在于每秒上百兆數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，而實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的關(guān)鍵點(diǎn)在于總線的傳輸速率以及存儲(chǔ)器介質(zhì)的讀寫速度[4]。文獻(xiàn)[2]中的系統(tǒng)采用CPCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而一些商用平臺(tái)使用傳輸速率更高的總線，如NI平臺(tái)可以使用PXIe總線。其中CPCI總線是建立在PCI總線的基礎(chǔ)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(chǔ)上發(fā)布的，其中PCIe 2.0標(biāo)準(zhǔn)將單線速度提高到500 MB/s，而且PXIe具有定時(shí)和同步功能，還提供了附加的定時(shí)和觸發(fā)總線。發(fā)射和采集系統(tǒng)的不同實(shí)現(xiàn)方式及各方面性能對(duì)比如表1所示。從表1可知，第一種方法構(gòu)建的專用多通道發(fā)射和采集系統(tǒng)通用性較弱，設(shè)備比較復(fù)雜，成本比較高，軟件開發(fā)也比較復(fù)雜。而基于NI平臺(tái)的圖形化語言LabVIEW可用軟件來定制系統(tǒng)功能，具有可視化特性，更適應(yīng)需求的變化，通用性更強(qiáng)，設(shè)備也不是很復(fù)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(tǒng)選擇NI平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多通道發(fā)射和多通道高速數(shù)據(jù)采集。

Fig2 Commercial multi-channel transmitting and acquisition system

表1 多通道發(fā)射和采集系統(tǒng)不同實(shí)現(xiàn)方式性能對(duì)比

2 系統(tǒng)構(gòu)建

NI多通道發(fā)射和采集系統(tǒng)由圖形化編程語言LabVIEW編寫的軟件系統(tǒng)和相應(yīng)的硬件系統(tǒng)組成。

2.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)由機(jī)箱PXIe-1075、處理器PXIe- 8133、流盤控制器8262、同步采集板卡PXIe-6368、存儲(chǔ)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(shí)物連接如圖3所示。

其中，PXIe-1075是配有18槽的機(jī)箱，每個(gè)插槽具有高達(dá)1 GB/s的專用帶寬和4 GB/s的系統(tǒng)帶寬。PXIe-8133是具有四核、CPU的時(shí)鐘頻率為1.73 GHz、標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存為2 G、系統(tǒng)帶寬高達(dá)8 GB/s的處理器。PXIe-6368是多功能的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，具有16個(gè)模擬輸入采集通道，各通道的最大采樣速率是2 MHz，每個(gè)通道都有獨(dú)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(chǔ)容量的外圍設(shè)備。PXI-7842R具有8路模擬輸入，8路模擬輸出，200 kHz獨(dú)立采樣率和16 bit分辨率等特性[5]。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)包括發(fā)射系統(tǒng)和采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)還包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)流盤和數(shù)據(jù)回放三個(gè)部分。其中，參數(shù)設(shè)置主要包括：通道選擇和其他參數(shù)設(shè)置。數(shù)據(jù)流盤包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存盤。數(shù)據(jù)回放包括：波形回放、頻譜分析和數(shù)字濾波。軟件系統(tǒng)組成如圖4所示。

2.2.1 發(fā)射系統(tǒng)

發(fā)射系統(tǒng)利用4塊FPGA板卡PXI-7842R產(chǎn)生32通道的模擬正弦信號(hào)，每個(gè)通道可以單獨(dú)設(shè)置信號(hào)的幅度、相位和頻率。發(fā)射系統(tǒng)利用DDS(direct digital synthesizer)產(chǎn)生正弦信號(hào)，原理如圖5所示。相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘周期到來時(shí)累加一次相位增量。查找表用于實(shí)現(xiàn)從相位累加器輸出的值到正弦幅度值的轉(zhuǎn)換，然后把輸出送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器中將數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬量，最后通過低通濾波器輸出正弦波信號(hào)。相位累加器和查找表的編程實(shí)現(xiàn)如圖6所示。發(fā)射信號(hào)參數(shù)設(shè)置的前面板如圖7所示。

2.2.2 采集系統(tǒng)

(1) 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置主要包括：通道選擇、定時(shí)參數(shù)、存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)的文件夾、觸發(fā)方式(軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā))、同步方式(采樣時(shí)鐘同步和參考時(shí)鐘同步)、采樣方式(有限數(shù)據(jù)采集和連續(xù)數(shù)據(jù)采集)等。參數(shù)設(shè)置的前面板如圖8所示。

(2) 數(shù)據(jù)流盤

數(shù)據(jù)流盤的關(guān)鍵點(diǎn)在于多個(gè)通道之間的信號(hào)之間不能發(fā)生偏移，怎樣實(shí)現(xiàn)多通道大數(shù)據(jù)量的流盤，以及數(shù)據(jù)顯示對(duì)流盤速率的影響。

進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集時(shí)，為防止多個(gè)通道之間的信號(hào)偏移，需要對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行同步處理。為了實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備的同步，除了主從設(shè)備共用同一個(gè)時(shí)鐘外，還應(yīng)該首先使從設(shè)備的開始運(yùn)行早于主設(shè)備的運(yùn)行。由于從設(shè)備的采樣時(shí)鐘或者參考時(shí)鐘均來自主設(shè)備，所以在主設(shè)備沒有運(yùn)行之前從設(shè)備均處于等待狀態(tài)，當(dāng)主設(shè)備運(yùn)行時(shí)，從設(shè)備也立即運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了主從設(shè)備的同時(shí)運(yùn)行。利用LabVIEW軟件中的順序結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流的控制，也就是把從設(shè)備的“開始任務(wù)”放在順序結(jié)構(gòu)的前一幀，主設(shè)備的“開始任務(wù)”放在順序結(jié)構(gòu)的下一幀，從而實(shí)現(xiàn)從設(shè)備的運(yùn)行早于主設(shè)備。具體實(shí)現(xiàn)如圖9所示。

采集方式分為有限數(shù)據(jù)采集和連續(xù)數(shù)據(jù)采集。有限數(shù)據(jù)采集主要是應(yīng)用在采樣率較高、每通道采集指定點(diǎn)的情況。LabVIEW注意數(shù)據(jù)的安全性，會(huì)備份數(shù)據(jù)。當(dāng)處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，大量的數(shù)據(jù)副本可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存溢出錯(cuò)誤。為避免創(chuàng)建大量數(shù)據(jù)副本，可減少每個(gè)副本的大小，即可以將數(shù)據(jù)分塊。數(shù)據(jù)分塊時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)副本對(duì)數(shù)據(jù)吞吐率有一定影響，所以，最好最小化這些副本。本軟件系統(tǒng)通過分塊策略實(shí)現(xiàn)采樣率2 MHz時(shí)最多采集點(diǎn)的有限數(shù)據(jù)采集。連續(xù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用在采樣率相對(duì)較小的情況下，進(jìn)行長時(shí)間的數(shù)據(jù)采集時(shí)使用。其中連續(xù)數(shù)據(jù)采集使用DAQmx配置記錄函數(shù)，它利用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即將原始數(shù)據(jù)從采集板卡直接傳輸?shù)接脖P，而用其他方式如“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”模型進(jìn)行流盤，需要經(jīng)過DAQmx 緩存、LabVIEW 內(nèi)存、TDMS 內(nèi)存、windows 緩存[6]，減緩流盤的速率。程序?qū)崿F(xiàn)如圖10所示。

進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示的作用是檢查采集數(shù)據(jù)的正確性。但是數(shù)據(jù)顯示特別是圖表或者圖像類型，都會(huì)使系統(tǒng)的速度變慢。在不影響數(shù)據(jù)查看的情況下，顯示的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)少一些或者圖形的更新頻率更低一些，都能提高系統(tǒng)的性能?；谝陨系脑颍瑢?shí)現(xiàn)每10次循環(huán)才更新一次圖形。具體是通過“商與余數(shù)”函數(shù)的余數(shù)輸出是否為0以及條件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)每10次循環(huán)才更新一次波形圖表。

(3) 數(shù)據(jù)回放

數(shù)據(jù)回放主要是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行回放、頻譜分析以及數(shù)字濾波等。

高速數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于采樣速率快，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示或者分析是比較困難的，這主要是因?yàn)閳D形的更新需要一定的時(shí)間，而此時(shí)數(shù)據(jù)采集還在不斷進(jìn)行。由于圖形顯示的更新會(huì)使數(shù)據(jù)的讀取速度變慢，進(jìn)而造成數(shù)據(jù)的溢出。為了查看采集的各個(gè)通道的數(shù)據(jù)波形，可以在數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，通過讀取已經(jīng)存儲(chǔ)在指定文件夾的數(shù)據(jù)，進(jìn)而顯示采集的所有數(shù)據(jù)同時(shí)查看數(shù)據(jù)的有效性。

利用LabVIEW的FFT模塊進(jìn)行快速傅里葉變換后再經(jīng)過復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)極坐標(biāo)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?yōu)閱芜咁l譜。具體的程序?qū)崿F(xiàn)如圖11所示。

數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理的重要組成部分，它分為有限長單位脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器(FIR)和無限長單位脈沖響應(yīng)濾波器(IIR)。FIR濾波器主要采用非遞歸結(jié)構(gòu)，不存在穩(wěn)定性問題，對(duì)線性相位要求較高。IIR濾波器可以用較少的階數(shù)獲得較高的選擇性，存儲(chǔ)單元少，運(yùn)算次數(shù)少，較為經(jīng)濟(jì)[7]。在水聲應(yīng)用中，對(duì)相位要求較高，所以此系統(tǒng)主要采用FIR數(shù)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(jìn)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(fā)射系統(tǒng)和采集系統(tǒng)性能測(cè)試

3.1 發(fā)射系統(tǒng)測(cè)試

通過更改不同通道的相位等參數(shù)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(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果。通過測(cè)試可知，系統(tǒng)可以根據(jù)不同的實(shí)際需求發(fā)射不同相位的信號(hào)，達(dá)到相控發(fā)射的目的。

3.2 采集系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試采集系統(tǒng)是在上文提到的實(shí)現(xiàn)策略條件下，測(cè)試有限數(shù)據(jù)采集和連續(xù)數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定工作時(shí)能夠達(dá)到的指標(biāo)。其中有限數(shù)據(jù)采集是指采集有限采樣點(diǎn)，連續(xù)數(shù)據(jù)采集是指根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)采集。無論有限數(shù)據(jù)采集還是連續(xù)數(shù)據(jù)采集都是對(duì)空氣中的噪聲進(jìn)行的采集。

3.2.1 有限數(shù)據(jù)采集測(cè)試

有限數(shù)據(jù)采集測(cè)試了128通道在不同采樣率條件下，每通道可以采集的點(diǎn)數(shù)。測(cè)試結(jié)果如表2所示，當(dāng)采樣率最高為2 MHz時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)128通道點(diǎn)穩(wěn)定的有限數(shù)據(jù)采集，表2中不穩(wěn)定是指LabVIEW軟件會(huì)報(bào)錯(cuò)。

表2 128通道在不同采樣率條件下的測(cè)試表

3.2.2連續(xù)采集性能測(cè)試

128通道進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集時(shí)的測(cè)試結(jié)果如表3所示。在對(duì)128通道連續(xù)采集，在采樣率最大為0.7 MHz時(shí)，系統(tǒng)可以連續(xù)運(yùn)行，表3中不穩(wěn)定是指LabVIEW軟件會(huì)報(bào)錯(cuò)。

表3 128通道連續(xù)采集結(jié)果

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

由于高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在研制過程中對(duì)發(fā)射機(jī)部分進(jìn)行了一定的改進(jìn)和調(diào)整，可以用此系統(tǒng)對(duì)聲吶系統(tǒng)的發(fā)射部分進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。

4.1 高分辨率測(cè)深側(cè)掃系統(tǒng)的發(fā)射部分檢測(cè)

高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲吶系統(tǒng)包括水上上位機(jī)和水下探測(cè)兩部分。其中上位機(jī)向水下探測(cè)部分下發(fā)參數(shù)。上位機(jī)設(shè)置的參數(shù)：發(fā)射信號(hào)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(gè)系統(tǒng)的連接如圖14所示。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

采集系統(tǒng)在采樣率為500 kHz和連續(xù)數(shù)據(jù)采集的工作條件下，測(cè)試得到的發(fā)射電壓信號(hào)波形如圖15所示，頻譜如圖16所示。根據(jù)測(cè)得的電壓波形以及頻譜，可知采集的發(fā)射信號(hào)的各個(gè)參數(shù)與實(shí)際設(shè)置的參數(shù)相同。高分辨率測(cè)深側(cè)掃系統(tǒng)的發(fā)射模塊性能良好。

5 結(jié)論

本文利用LabVIEW圖形化編程語言和相應(yīng)的硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了32通道的相控發(fā)射系統(tǒng)和128通道的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并利用系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有的高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲吶的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試。具體結(jié)論如下：

(2) 利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有的高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的發(fā)射模塊進(jìn)行了測(cè)試。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果分析表明，發(fā)射模塊工作正常，采集系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

(3) 實(shí)現(xiàn)32通道相控發(fā)射信號(hào)的生成，并可以單獨(dú)調(diào)整各個(gè)通道的相位、幅度和頻率。

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LIU Shunlan, WU Jie. Digital signal processing[M]. 2nd edition. Xian: Xian Electronic Science & Technology University Press, 2009: 246.

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(jì)劃(2014BAB14B01)

唐亮(1988－), 男, 黑龍江綏化人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

劉曉東, E-mail: liuxd@mail.ioa.ac.cn