关键词：多通道高速采集卡  多通道高速数据采集卡  多通道高速同步数据采集卡

1     概述

256通道同步连续采集存储系统可以完成256通道信号同步采集、存储，采集后的数据通过板上FIFO实时持续传输到计算机内存，然后通过RAID控制器高速传输到磁盘阵列中。

信号连续采集存储系统，由高性能服务器，高分辨率多通道信号采集卡、高速稳定的SATAⅡ磁盘阵列及多通道同步连续采集存储控制软件组成。信号连续采集存储系统可对信号进行实时长时间连续采集存储，实现最大2.4TB数据量的存储和数据的统一管理。

 

2     系统主要功能及技术指标要求

（1）    分辨率：16bit

（2）    采样率：1 MS/s   (128通道，8张M2i 4741-exp)

                 250KS/s  (128通道，8张M2i 4721-exp)

（3）    通道数：256通道

（4）    持续采集存储时间：100分钟

（5）    通道间同步精度：10微秒

 

3     组成及实现方式

3.1  系统组成及实现方式

256通道信号连续采集存储系统由高分辨率同步信号采集卡、实时存储磁盘阵列和连续采集控制存储管理软件三大部分组成。高分辨率多通道采集卡为8张M2i 4741-exp和8张M2i 4721-exp，每张卡具有16个同步采集通道，插于配备20个PCI Express槽位的采集扩展系统中，扩展系统通过PCI Express×8数据适配卡连接到带有磁盘阵列的控制主机，如图1所示。

磁盘阵列由ARECA 1220实时记录控制器和8个300GB SEAGATE SATA Ⅱ磁盘组成，存储容量为2.4TB。如图2所示。

图1  具有20个PCI Express槽位的采集扩展系统

图2  磁盘阵列

高分辨率、多通道连续采集和存储系统，一方面要求256通道同步进行信号采集，同时还要将采集的数据实时的存储到磁盘，实现数据的实时性、完整性和连续性，完成数据采集和数据存储工作。

     我们选择具有PCI Express×1接口的M2i.4741-exp和M2i.4721-exp来完成长时间实时连续采集任务。基于PCI Express接口的采集卡在数据DMA过程中，所有16张采集卡共享PCI-e×8的数据传输总线，并通过STAR-HUB模块分发时钟和触发信号，实现16张卡共256通道的信号同步采集。如图3所示。其持续数据流速为1M×2×16×8＋0.25M×2×16×8=320MB/S。磁盘阵列的写入速度为650MB/S，数据可稳定高速地写入磁盘阵列，而不会发生数据丢失或中断。

图3  通过STAR HUB 模块实现多卡同步采集

3.2  信号采集卡的主要技术指标及分析

3.2.1  采集卡的主要技术指标

（1）   采样率：             1MS/s

                              250KS/s

（2）   分辨率：           16bit

（3）   采样通道：        16通道

（4）   总线传输速率：    140MB/s

（5）   量程范围：±50mV ~±10V 共8档

（6）   板载存储：256MB（标准）

（7）   最高支持一个系统16张板卡同步采集

（8）   兼容×1/×2/×4/×8 PCI-Express总线

（9）   工作温度：0℃~50℃

3.3  系统配置主要指标及需求分析

   3.3.1  系统的主要配置

（1）    主板：SUPERMICRO X7DB8

（2）    CPU： Dual－core Xeon E5405

（3）    内存：4GB

（4）    存储容量：2.4TB

（5）    RAID 控制器：ARECA 1220

（6）    磁盘阵列：SEAGATE SATAⅡ 300GB（8个）

（7）    显示器：17寸 液晶

   3.3.2  系统的配置分析

（1）  系统性能分析

为了高流量、高稳定的对多通道数据进行采集与存储，选用工业应用广泛的高性能超微服务器主板SUPERMICRO X7DB8，该主板支持双核、4核的CPU，支持2 PCI－Ex8、1 PCI－Ex4、2 PCI－X 133MHz、1 PCI－X 100MHz的总线模式，支持8G的内存，可以稳定实现256通道信号的采集数据连续存储。并保证系统的整体处理速度。

（2）  存储容量分析

采集系统连续采集10分钟，需要320MB×60×10=192GB的存储空间，结合磁盘阵列中磁盘个数对写盘速度的影响，选用了8块SEAGATE SATA Ⅱ 300GB磁盘，存储容量共2.4T的磁盘阵列，可实现10次每次10分钟的高流量数据采集存储。

 

  4     采集控制软件主要功能

基于VC开发的信号连续存储管理系统采集控制软件在实现连续采集存储时，系统采集控制软件完成对采集卡采集功能的配置，对采集过程中每个通道的采集模式及采集方式的设置，数据采集过程中采用FIFO DMA的模式，将数据不间断地通过内存存储到磁盘阵列中。连续存储管理系统采集控制软件结构如图4所示。

信号连续存储管理系统采集控制软件：由采集卡控制模块、显示模块、连续采集控制模块及回放查看模块组成

（1）          信号连续采集系统采集控制设置模块实现对采集卡的控制：采集卡控制参数配置、单次采集、连续采集、连续存储等功能。

（2）          信号显示模块实现采集信号的时域显示、幅度轴缩放、时间轴缩放、信号大小标定、信号色彩选择等。

（3）          连续采集存储模块实现文件目录及大小的控制，并跟踪当前连续采集存储的进程及异常报告。

（4）          回放查看模块实现静态文件数据浏览，包括文件路径、当前起始位置、数据长度及数据格式等。

 

   

图4  信号连续采集存储系统控制软件

在连续采集时，可以通过软件定义连续采集数据的大小及数据存储的位置及存储的文件夹名称，同时，可以根据数据分析的需要，转化数据存储类型，如：浮点数、二进制、十进制等格式，方便用户对数据的分析。

信号连续采集存储系统控制软件如图5所示：

图5  信号连续采集存储系统界面

   4.1  系统控制

 

信号连续采集存储系统采集存储控制模块可以对信号连续采集存储系统的采集模式、采样频率、是否采用外时钟及外时钟频率；触发源、触发电平、触发沿、触发量程及阻抗、触发时限；连续存储的数据格式、存储路径、文件大小等采集参数进行设置；同时可以对通道的量程范围、耦合方式、阻抗及直流偏置等参数进行控制。

4.2  显示控制

信号连续采集存储显示控制模块可以对背景颜色、网格颜色、通道数据曲线颜色进行选择；同时支持信号幅度轴及信号时间轴的缩放。