模拟信号高速数据采集回放设备

 

设计方案

 

1. 概述

数据采集记录器集成了高速模数转换器，高速数模转换器，高性能FPGA、万兆网控制器、NVME 固态盘等关键技术。既是一个存储设备同时也是一个高性能计算机。

1. 功能

高性能通用存储模块功能分为录取、回放、管理以及转发四部分。

1. 录取：实现对1路模拟信号进行采集存储，最高采样率可达到1GSPS，支持内/外采样时钟输入。
2. 回放(选配)：将本地存储数字波形通过DAC芯片转换成一路模拟信号发送，最高转换率2.5GSPS。
3. 管理：预装了Windows操作系统及其相应的驱动，支持本地文件管理、远程文件管理（选配）、数据库管理（选配）、数据分析（选配）等应用。
4. 转发：提供基于网络的基本数据迁移功能。也可升级为高可靠性的分布式存储（选配）

1. 技术指标
   1. 采集回放指标

1. 1通道1 GSPS模数转换，12位单通道1G采样率
2. 支持内/外部时钟
3. 支持外触发
4. 支持1路AD同步采集、同步复位
5. 模拟信号输入采用Balun交流耦合，单端输入，输入阻抗50Ω，输入频率范围4.5MHz~3GHz
6. 模拟信号输入的电压范围750mVpp~1Vpp
7. 模拟信号输出为电流输出，采用Balun耦合，输出电流范围8.66mA~31.66mA
   1. 系统指标
8. 4U机架式服务器:
   1. 1颗E5-1620 v4 处理器
   2. 2条16GB DDR4 RECC内存
   3. 5块4T SATA 3.5寸 7.2K企业级硬盘
   4. 一块NVME SSD
   5. 1块LSI 9271 RAID卡
   6. 1块双口万兆光纤网卡
   7. 一块泰星达AD/DA接口卡
   8. 一块泰星达串口控制卡
9. 总存储容量：23.2TB，支持扩容。
10. 高速读写速率：不低于1GB/s
    1. 对外接口
11. 一路模拟信号输入接口（SMA）
12. 一路模拟信号输出接口（SMA）
13. 一路外时钟输入接口（SMA）
14. 一路外触发输入接口（SMA）
15. 两路千兆网口（RJ45）
16. 两路万兆网口（SFP+光模块）

 

1. 1. FPGA 逻辑支持
2. 采集回放流程控制逻辑，包含时钟配置，同步控制
3. ADC接口逻辑，包括数据链路和芯片配置
4. DAC接口逻辑，包括数据链路和芯片配置（选配）
5. DDR3 缓存控制逻辑
6. 数据预处理逻辑（定制，选配）
7. PCIe Gen2 x8 DMA模块 
8. 常用串口协议支持（根据客户需求定制）

上述除了DMA模块是网表形式之外，其他均提供源码，支持二次开发。

1. 1. 软件支持
2. Windows底层驱动和API库；
3. 数据录取回放软件，支持脱机运行；

负责采集回放控制以及本地存储文件管理实现对本地数据回放

 

图 1  数据录取回放软件示意图

 

1. 组成
   1. 4U机架式服务器

图 4 服务器实物图

 

详细规格
1	机箱	4U服务器　尺寸：178x437x521(mm).
2	芯片组	Intel C612芯片组.
3	CPU	支持1颗E5-2600v3 v4或E5-1600v3 v4系列处理器.
4	内存	8个DIMM槽，最高支持1TB DDR4 2400/2133/1866MHz ECC 3DS LRDIMM．
5	硬盘	5个3.5寸热插拔硬盘位，支持SATA,SAS,SSD．
6	RAID卡	LSI 2208 SAS 控制器，1G 缓存，支持 0,1,5,6,10,50,60.
7	网络	集成Intel i210 双千兆以太网控制器.RJ45 输出.
8	显卡	ASPEED AST2400 BMC.
9	扩展插槽	支持支持2个PCI-E 3.0 x8(in x16),2个PCI-E 3.0 x8,2个PCI-E 2.0 x4 (in x8)
10	I/O	2个USB 2.0口,2个USB 3.0口,1个COM口,1个VGA口,1个RJ45管理口,2个RJ45网口.
11	电源	1个865W高效电源.
12	远程 管理	支持IPMI 2.0,远程开关机,远程安装操作系统,远程监控硬件信息等.

 

 

1. 1. NVME SSD

我们使用的NVME SSD其核心控制芯片是紫光得瑞基于软硬件协同理念自主设计开发的 ASIC，立足于企业级数据可靠性保障、闪存管理和性能聚合等核心技术，集成了大量专用计算硬件加速单元。结合 FTL 管理软件的高效调度，实现了高可靠、高性能的数据存储功能。

图 5 NVME SSD实物图

 

图 6 主要技术指标

 

 

1. 1. 采集回放

4.3.1 AD/DA模块

图 7  AD/DA模块实物图

AD/DA模块是我司自主研发的一款1路1G AD采集、1路2.5G DA回放的FMC子卡。板卡采用标准FMC子卡架构，可方便的与其他FMC板卡实现高速互联，可广泛用于高频模拟信号采集、雷达系统测试等场合。

图 8  AD/DA模块原理框图

 

主要技术指标

• 标准FMC子卡，尺寸为69mmx76.5mm，安装孔为2.7mm
• 板上共5个SMA连接器，1个FMC/HPC接口
• 1通道1 GSPS模数转换， 12位单通道1G采样率
• 1通道2.5GSPS数模转换， 14位2.5G射频数模转换器
• 采用外部时钟
• 支持外触发
• 支持1路AD同步采集、同步复位
• 模拟信号输入采用Balun交流耦合，单端输入，输入阻抗50Ω，输入频率范围4.5MHz~3GHz
• 模拟信号输入的电压范围750mVpp~1Vpp
• 模拟信号输出为电流输出，采用Balun耦合，输出电流范围8.66mA~31.66mA
• LVDS接口，方便与FPGA/ASIC互联
• 板卡采用+12V供电，整板功耗小于6W

4.3.2  PCIe X8 接口卡

图 8  PCIe X8 接口卡实物图

本板卡基于Xilinx公司的FPGAXC7K325T-2FFG900 芯片，pin_to_pin兼容FPGAXC7K410T-2FFG900 ，支持PCIeX8、64bit DDR3容量2GByte，HPC的FMC连接器，板卡支持各种接口输入，软件支持windows，Linux驱动。

图 8  AD/DA模块原理框图

主要技术指标

• 支持1路PCIe X8 支持PCI Express V1.1 V2.0标准；
• 支持64bitDDR3， 容量2GByte；
• 支持1个FMC HPC中LA，HA，HB全部接口和DP0~DP7 8路高速接口，兼容ML605等开发板，前面板输出；
• 支持4个LED指示灯；
• 支持2个按钮；
• 所有器件支持商业级，工业级。

4.3.2  采集回放套件

 

1. 1. PCIe X4串口通信卡

图 8  PCIe X4 串口通信卡原理样机图

本卡是一款支持PCIe总线的RS422差分数据传输的RS422串口卡，具备智能化配置的功能，可提供RS422标准的差分数据传输功能，提供四路串口，即四收四发（同步），用户可以利用FPGA写逻辑实现异步八收八发。上位机通过PCIe总线将数据写入板卡上的缓存，等待1PPS触发信号被检测到后，可在150ms以后将缓存数据通过RS422接口送出，可大量使用于北斗信号接收测试等。

上述文字描述为本卡原理样机设计，详细功能可以根据客户需求进行定制。

 

1. 软件设计

 

1. 1. 环境要求

软件环境：

1. Win7 64位系统
2. 使用WinDriver10安装驱动

硬件要求：

1. 时钟卡
2. 1G AD数据卡

 

1. 1. 功能界面介绍

整个软件可以分为如下四个功能区块：参数配置区、采集操作区、显示区、回放操作区。

图2.1 软件界面功能区块

5.2.1 参数配置区

1 配置功能介绍

图2.2 配置功能设置区

1. 采样频率控件。

此控件设计成下拉菜单的形式，下拉菜单包括102.4m、409.6m、500m三个选项。409.6m和500m设置命令发送给1G AD采样卡。102.4m设置命令发送给时钟卡。

1. 触发方式控件。

此控件设计成下拉菜单的形式，下拉菜单包括内触发和外触发。当1中设置成409.6m或500m的选项时，命令下发给1G AD采样卡。当1中设置成102.4m的选项时，命令下发给时钟卡。

1. 时钟源控件，此控件设计成下拉菜单的形式，菜单包括内时钟和外时钟。此命令发送给时钟卡。
2. 配置控件，点击此控件对AD进行配置，当采样频率设置成409.6m或500m时，命令发送给1G AD采集板，当采样频率设置成102.4m时，命令发送给时钟卡。

2 发送功能介绍

图2.3 发送功能设置区

1. 频率控件设计成填写方式，位宽占4个字节，单位10HZ。
2. 射频衰减控件设计成下拉方式，下拉菜单包括2’b00：不衰减、2’b01：衰减 10dB、2’b10：衰减20dB、2’b11：衰减30dB，射频衰减占用一个字节的低2位。
3. 模式识别控件设计成下拉菜单的形式，下拉菜单包括2’b00：常规模式、2’b01：低噪声模式，模式识别占用一个字节的2位。
4. 中频衰减控件设计成填写方式，单位1dB，占用一个字节的低六位。
5. 带宽选择控件设计成下拉菜单的方式，菜单包括2’b01：带宽3000kHz/500kHz、2’b10：带宽20mHz、2’b11：带宽40mHz。
6. 发送控件用于当以上控件都设置完成之后，点击此控件，上位机以PCIE DMA的方式下发给板卡，DMA大小位8字节。

5.2.2采集操作区

图2.3 采集操作区

1. 开始采集控件，当采样频率设置成409.6m或500m时，命令发送给1G AD采集板，当采样频率设置成102.4m时，命令发送给时钟卡。开始采集数据。

2. 停止采集控件，当采样频率设置成409.6m或500m时，命令发送给1G AD采集板，当采样频率设置成102.4m时，命令发送给时钟卡。停止采集数据。

3. 点击清除控件会清除板载内存的数据。

5.2.3 显示区

图2.5 显示区

波形显示区。横坐标为播放文件的数据点序号，纵坐标为电压值。

5.2.4回放操作区

图2.5 回放操作区

1) 回放文件路径浏览按钮。浏览需要回放的文件，选择好文件后，文件路径会自动显示到按钮左侧的编辑框中。

2) 加载按钮。浏览路径完成后，点击加载按钮，程序加载待回放的文件到程序，等待播放。

3) 开始回放按钮。加载完文件后，点击开始回放按钮，开始回放。

4) 暂停回放按钮。根据实际情况，可以点击停止回放按钮，查看波形。

5) 快进按钮。根据实际需要，调节回放速度。

6) 振幅缩放按钮。根据实际需要，调节波形在显示区的振幅显示范围，便于波形查看。

7) “+”和“-”按钮。根据实际需要，调节波形在显示区的横轴显示范围，便于波形查看。

 

 

1. 1. 数据采集操作流程

5.3.1 时钟卡数据采集

图3.1 时钟卡数据采集步骤图

使用时钟卡采集数据一共需要进行四大步骤操作：

步骤一：设置采样频率、触发方式和时钟源，然后点击配置。这里需要注意的是，时钟卡采集必须将采样频率设置为102.4MHz；如果使用数据卡采集，需要将采样频率设置为409.6MHz或者500MHz。

步骤二：设置存盘路径，路径应当在NVMe硬盘中，否则会丢数据或者产生其他问题。

图3.2 选择存盘路径

步骤三：设置控制对象相关参数，然后点击发送。

控制对象定义见下表：

表3.1 控制对象定义表

步骤四：点击开始采样，程序开始采样并且自动存盘到指定目录。

5.3.2 AD数据卡数据采集

图3.3 数据卡数据采集步骤图

使用数据卡采集数据一共需要进行三大步骤操作：

步骤一：设置采样频率、触发方式和时钟源，然后点击配置。这里需要注意的是，使用数据卡采集，需要将采样频率设置为409.6MHz或者500MHz。

步骤二：设置存盘路径，路径应当在NVMe硬盘中，否则会丢数据或者产生其他问题。

步骤三：点击开始采样，程序开始采样并且自动存盘到指定目录。

 

1. 1. 数据回放操作流程

图4.1 数据回放步骤图

使用数据回放一共需要进行三大步骤操作：

步骤一：浏览需要回放的数据文件路径，文件名格式为：ADSample_采样频率_存盘时间.dat，例如ADSample_102.4MHz_20190426_101830_401.dat。

步骤二：加载文件。

步骤三：点击开始数据回放。

图4.2 缩放设置

用户可以根据实际需求调整快进和缩放，方便的进行波形观测。