一种通用多通道高频相控发射和采集系统

唐亮，刘晓东，刘治宇



一种通用多通道高频相控发射和采集系统

唐亮1,2，刘晓东1，刘治宇1

(1. 中国科学院声学研究所，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100049)

声呐系统性能检测需要一种多通道可控相位信号和多通道大容量高速数据采集系统。通过多种高速数据采集和信号发射方案的对比，选用基于图形化编程语言LabVIEW和相应的硬件设备，设计、研制了一种32通道发射和128通道高速数据采集系统，用于多数声呐系统的性能检测。发射系统利用直接数字合成技术，生成可以单独调节相位的32通道正弦信号；采集系统采用分块读取减少缓冲区数据占用的方式，实现有限数据采集，并采用减少显示图形更新次数、使用DAQmx配置记录函数等方法，实现连续数据采集。测试结果表明，系统实现在采样率为2 MHz时，128通道中每通道1 300 000点的有限数据采集，以及采样率最高为0.7 MHz的128通道的连续数据采集。利用该系统对高分辨率测深侧扫声呐的发射信号进行检测，发射信号正常，系统工作良好。

相控发射；高速数据采集；图形化编程语言LabVIEW；流盘

0 引言

海洋声学技术领域有时需要对开发过程中的声呐系统性能进行检测和评估，或者对算法的可行性进行验证。而海洋声学技术中信号的工作频率分布较广，且有的设备的通道数达到上百个左右。例如专利[1]中的声呐系统的工作频率为150 kHz，通道数为96个；又如文献[2]中声呐系统工作频率为12 kHz，发射通道七百多个，接收通道64个。除了以上方面，随着技术更新速度的加快，需要快速地实现对信号的处理或者快速对原理进行验证，这就要求系统具有一定的通用性。综上所述，为了实现声呐设备性能检测和评估以及验证算法在实际应用中的可行性，需要通道数多的发射系统以及通道数多、采样率高、数据吞吐量大，同时具有一定通用性的数据采集系统。

本文通过对不同方案的分析，最终确定利用美国NI(National Instrument) 公司的软硬件平台，实现32通道的相控发射系统和128通道的高速数据采集系统。发射系统可以根据不同需求设定不同的相位、幅度以及频率等；采集系统可以实现高速(最高2 MHz/通道)有限数据采集和长时间连续数据(最高700 kHz/通道)采集，并实现对采集数据的回放、频谱分析和数字滤波等数据处理操作，且可利用系统对高分辨率测深侧扫声呐的发射信号进行检测。

1 实现多通道发射和采集系统方法对比

实现多通道高速数据发射和采集有多种方法，如文献[2]中使用多个专用的发射板进行多通道发射，使用专用的前放板、多个A/D芯片、控制板、CPU板及数据存储服务器等实现多通道数据采集和存储，其系统连接如图1所示；或者利用一些商用平台实现多通道的高速数据采集[3]和发射，其系统的构建方式一般如图2所示。考虑到多通道高速采集系统的难点在于每秒上百兆数据的实时存储，而实时存储的关键点在于总线的传输速率以及存储器介质的读写速度[4]。文献[2]中的系统采用CPCI总线进行数据传输，而一些商用平台使用传输速率更高的总线，如NI平台可以使用PXIe总线。其中CPCI总线是建立在PCI总线的基础上，而PCI总线传输带宽最高为133 MB/s。PXIe总线是建立在PCIe基础上发布的，其中PCIe 2.0标准将单线速度提高到500 MB/s，而且PXIe具有定时和同步功能，还提供了附加的定时和触发总线。发射和采集系统的不同实现方式及各方面性能对比如表1所示。从表1可知，第一种方法构建的专用多通道发射和采集系统通用性较弱，设备比较复杂，成本比较高，软件开发也比较复杂。而基于NI平台的图形化语言LabVIEW可用软件来定制系统功能，具有可视化特性，更适应需求的变化，通用性更强，设备也不是很复杂，成本也不高，且使用的总线具有更高的带宽。综上所述，我们的系统选择NI平台实现多通道发射和多通道高速数据采集。

Fig2 Commercial multi-channel transmitting and acquisition system

表1 多通道发射和采集系统不同实现方式性能对比

2 系统构建

NI多通道发射和采集系统由图形化编程语言LabVIEW编写的软件系统和相应的硬件系统组成。

2.1 硬件系统

硬件系统由机箱PXIe-1075、处理器PXIe- 8133、流盘控制器8262、同步采集板卡PXIe-6368、存储容量为12 TB的磁盘阵列HDD-8265、接线盒BNC-2110和多功能输入输出PXI-7842R组成。实物连接如图3所示。

其中，PXIe-1075是配有18槽的机箱，每个插槽具有高达1 GB/s的专用带宽和4 GB/s的系统带宽。PXIe-8133是具有四核、CPU的时钟频率为1.73 GHz、标准内存为2 G、系统带宽高达8 GB/s的处理器。PXIe-6368是多功能的数据采集设备，具有16个模拟输入采集通道，各通道的最大采样速率是2 MHz，每个通道都有独立的ADC，有效分辨率是16 bit，带宽是1 MHz。HDD-8265是具有12 TB存储容量的外围设备。PXI-7842R具有8路模拟输入，8路模拟输出，200 kHz独立采样率和16 bit分辨率等特性[5]。

2.2 软件系统

软件系统包括发射系统和采集系统。采集系统还包括参数设置、数据流盘和数据回放三个部分。其中，参数设置主要包括：通道选择和其他参数设置。数据流盘包括：数据采集、数据显示和数据存盘。数据回放包括：波形回放、频谱分析和数字滤波。软件系统组成如图4所示。

2.2.1 发射系统

发射系统利用4块FPGA板卡PXI-7842R产生32通道的模拟正弦信号，每个通道可以单独设置信号的幅度、相位和频率。发射系统利用DDS(direct digital synthesizer)产生正弦信号，原理如图5所示。相位累加器在每一个时钟周期到来时累加一次相位增量。查找表用于实现从相位累加器输出的值到正弦幅度值的转换，然后把输出送到数模转换器中将数字量转变成模拟量，最后通过低通滤波器输出正弦波信号。相位累加器和查找表的编程实现如图6所示。发射信号参数设置的前面板如图7所示。

2.2.2 采集系统

(1) 参数设置

参数设置主要包括：通道选择、定时参数、存储采集数据的文件夹、触发方式(软件触发和硬件触发)、同步方式(采样时钟同步和参考时钟同步)、采样方式(有限数据采集和连续数据采集)等。参数设置的前面板如图8所示。

(2) 数据流盘

数据流盘的关键点在于多个通道之间的信号之间不能发生偏移，怎样实现多通道大数据量的流盘，以及数据显示对流盘速率的影响。

进行多通道数据采集时，为防止多个通道之间的信号偏移，需要对多个通道进行同步处理。为了实现主从设备的同步，除了主从设备共用同一个时钟外，还应该首先使从设备的开始运行早于主设备的运行。由于从设备的采样时钟或者参考时钟均来自主设备，所以在主设备没有运行之前从设备均处于等待状态，当主设备运行时，从设备也立即运行，从而实现了主从设备的同时运行。利用LabVIEW软件中的顺序结构可以实现对数据流的控制，也就是把从设备的“开始任务”放在顺序结构的前一帧，主设备的“开始任务”放在顺序结构的下一帧，从而实现从设备的运行早于主设备。具体实现如图9所示。

采集方式分为有限数据采集和连续数据采集。有限数据采集主要是应用在采样率较高、每通道采集指定点的情况。LabVIEW注意数据的安全性，会备份数据。当处理大量数据时，大量的数据副本可能会导致内存溢出错误。为避免创建大量数据副本，可减少每个副本的大小，即可以将数据分块。数据分块时产生的数据副本对数据吞吐率有一定影响，所以，最好最小化这些副本。本软件系统通过分块策略实现采样率2 MHz时最多采集点的有限数据采集。连续数据采集应用在采样率相对较小的情况下，进行长时间的数据采集时使用。其中连续数据采集使用DAQmx配置记录函数，它利用DMA方式进行数据传输，即将原始数据从采集板卡直接传输到硬盘，而用其他方式如“生产者-消费者”模型进行流盘，需要经过DAQmx 缓存、LabVIEW 内存、TDMS 内存、windows 缓存[6]，减缓流盘的速率。程序实现如图10所示。

进行数据显示的作用是检查采集数据的正确性。但是数据显示特别是图表或者图像类型，都会使系统的速度变慢。在不影响数据查看的情况下，显示的数据点数少一些或者图形的更新频率更低一些，都能提高系统的性能。基于以上的原因，实现每10次循环才更新一次图形。具体是通过“商与余数”函数的余数输出是否为0以及条件结构，实现每10次循环才更新一次波形图表。

(3) 数据回放

数据回放主要是对采集的数据进行处理，包括对采集数据进行回放、频谱分析以及数字滤波等。

高速数据采集时，由于采样速率快，对采集的数据进行实时显示或者分析是比较困难的，这主要是因为图形的更新需要一定的时间，而此时数据采集还在不断进行。由于图形显示的更新会使数据的读取速度变慢，进而造成数据的溢出。为了查看采集的各个通道的数据波形，可以在数据采集结束后，通过读取已经存储在指定文件夹的数据，进而显示采集的所有数据同时查看数据的有效性。

利用LabVIEW的FFT模块进行快速傅里叶变换后再经过复数转极坐标模块，这样输出的是双边频谱，可以通过一定的算法将双边频谱变为单边频谱。具体的程序实现如图11所示。

数字滤波器是数字信号处理的重要组成部分，它分为有限长单位脉冲响应数字滤波器(FIR)和无限长单位脉冲响应滤波器(IIR)。FIR滤波器主要采用非递归结构，不存在稳定性问题，对线性相位要求较高。IIR滤波器可以用较少的阶数获得较高的选择性，存储单元少，运算次数少，较为经济[7]。在水声应用中，对相位要求较高，所以此系统主要采用FIR数字滤波。在程序的前面板可以选择滤波器的类型，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等，还可以进行最低阻带、最高阻带、最低通带、最高通带以及窗口类型(三角窗、汉宁窗、汉明窗、凯塞窗等)等的选择。

3 发射系统和采集系统性能测试

3.1 发射系统测试

通过更改不同通道的相位等参数得到图12、13。图12是频率为20 kHz、幅度为5 V、相位分别0°和90°的测试结果。图13是频率为20 kHz、幅度为5 V、相位分别是0°、-45°和-90°的测试结果。通过测试可知，系统可以根据不同的实际需求发射不同相位的信号，达到相控发射的目的。

3.2 采集系统测试

测试采集系统是在上文提到的实现策略条件下，测试有限数据采集和连续数据采集稳定工作时能够达到的指标。其中有限数据采集是指采集有限采样点，连续数据采集是指根据实际需要进行不间断的数据采集。无论有限数据采集还是连续数据采集都是对空气中的噪声进行的采集。

3.2.1 有限数据采集测试

有限数据采集测试了128通道在不同采样率条件下，每通道可以采集的点数。测试结果如表2所示，当采样率最高为2 MHz时，系统可以实现128通道点稳定的有限数据采集，表2中不稳定是指LabVIEW软件会报错。

表2 128通道在不同采样率条件下的测试表

3.2.2连续采集性能测试

128通道进行连续数据采集时的测试结果如表3所示。在对128通道连续采集，在采样率最大为0.7 MHz时，系统可以连续运行，表3中不稳定是指LabVIEW软件会报错。

表3 128通道连续采集结果

4 系统的应用

由于高分辨率测深侧扫声呐系统在研制过程中对发射机部分进行了一定的改进和调整，可以用此系统对声呐系统的发射部分进行测试和评估。

4.1 高分辨率测深侧扫系统的发射部分检测

高分辨率测深侧扫声呐系统包括水上上位机和水下探测两部分。其中上位机向水下探测部分下发参数。上位机设置的参数：发射信号的脉冲宽度为8 ms、左舷的起始频率为142.5 kHz，终止频率为152.5 kHz，右舷的起始频率为152.5 kHz，终止频率为162.5 kHz。整个系统的连接如图14所示。

4.2 系统测试结果

采集系统在采样率为500 kHz和连续数据采集的工作条件下，测试得到的发射电压信号波形如图15所示，频谱如图16所示。根据测得的电压波形以及频谱，可知采集的发射信号的各个参数与实际设置的参数相同。高分辨率测深侧扫系统的发射模块性能良好。

5 结论

本文利用LabVIEW图形化编程语言和相应的硬件设备，设计并实现了32通道的相控发射系统和128通道的高速数据采集系统，并利用系统对现有的高分辨率测深侧扫声呐的发射信号进行了测试。具体结论如下：

(2) 利用数据采集系统对现有的高分辨率测深侧扫声呐系统的发射模块进行了测试。通过对测试结果分析表明，发射模块工作正常，采集系统性能稳定。

(3) 实现32通道相控发射信号的生成，并可以单独调整各个通道的相位、幅度和频率。

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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

科技支撑计划(2014BAB14B01)

唐亮(1988－), 男, 黑龙江绥化人, 硕士研究生, 研究方向为信号与信息处理。

刘晓东, E-mail: liuxd@mail.ioa.ac.cn