CN101226339A - 一种多采集通道的先进先出数据存储系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多采集通道延时先进先出数据存储系统和方法，存储系统包括依次连接的多通道采集单元、先进先出存储控制单元、存储单元、多通道缓冲单元，其特征在于：包括依次连接于多通道采集单元的测量单元和采集调整单元，使用测量单元测量信号之间的延时和相位关系，并使用采集调整单元对各通道的信号采集进行延时控制。该方法通过测试各通道信号的延时和相位关系，设定每个通道的采集延时值，实现多采集通道间任意特定延时的先进先出数据采集和存储，能够消除信号间的延时和相位差，准确恢复信号间的一一映射关系。

Description

一种多采集通道的先进先出数据存储系统及其方法

技术领域

本发明属于数据采集技术领域，尤其涉及一种多采集通道延时先进先出数据存储系统。该发明同时涉及多采集通道延时先进先出数据存储方法，尤其涉及针对存在着严格的任意特定延时和相位差的多通道信号，消除信号之间的延时和相位差，准确恢复信号间固有的一一映射关系的先进先出数据存储方法。

背景技术

现在半导体光刻领域，进入纳米光刻时代，光刻系统变得越来越复杂，信号采集的准确度和精度要求也越来越高。系统微小的计算误差或判断偏差，最后反应产品工艺上，可能会导致产品质量下降，甚至是废品出现。光刻机硅片对准中，需要准确实现对32路衍射光信号进行采集和数据的存储，虽然所设计采集系统各通道在原理上是一致，但由于加工制造上和器件质量上微小差异，会引起各通道性能上的差异，同时不同的信号，在传递的过程中，相频响应也不同，也会导致到达模数转换器前，各通道信号的延时也不尽相同，如果直接进行采集和数据存储，所获得的数据将不能反映原始各路光信号间固有关系。如果此时系统根据所存储的数据进行相应的分析和计算，其结果也不能真正的反映实际的工作情况。因此需要一种新的信号采集系统和数据存储机制，来保证所获取的数据，真实准确的反映原始信号间的固有关系。

现有的多通道的数据采集与数据存储技术，“便携式多通道微地震监测系统”(中国发明专利，专利号：200520033425.9)，其实现对岩体的信息的采集，其内部架构含有模数转换器、先进先出缓存器，采用了多路选通开关，可以只使用1路模数转换器，实现对多路信号的采集与数据存储。这种技术的优点是结构和方法简单，其工作的方式按一定的次序，依次完成各路信号的采集，其先进先出的存储方式依次获取各通道采集所得的数据，依次存储。该技术虽然实现了多通道的数据采集与存储，但不能实现各通道信号同时采集或任意时刻采集，还无法应用到对存有相位差或延时关系的多路信号的采集与数据存储上。

现有多路信号的异步采集技术，也有采用模拟延迟线的方法，通过延时不同输入信号之间的相位来完成，以实现相关数据的采集。但由于受到延迟线抽头与开关选择的限制，信号的输入路数会受到很大的制约，同时还会带来输入信号不同程度的失真和波形的畸变。针对这种的情况，在“多路高速模拟信号异步采集和迭加装置”(中国发明专利，专利号：02265505)采用的技术为，通过控制和调整一个采样周期中各路采样脉冲间的相位差，分别储存采样数据于第一、二级异步先进先出存储器中，再统一读取相关数据进行计算处理。该技术中采用的结构分为2级的先进先出存储，并且在第一级的先进先出存储中，每个数据通道都使用单独先进先出存储器，随着通道的增加，成本会增加，实现起来也变得复杂，并且该技术只是在一个采样周期中调整采样脉冲的相位差。而对于各通道间信号间的任意的特定延时的情况，如信号间的延时关系大于一个采样周期，还是无法实现多通道的任意时刻数据采集存储。

发明内容

本发明的目的提供一种采集多通道延时先进先出数据存储系统及其方法，实现对存在着任意特定延时和相位差的多通道信号进行数据采集和先进先出存储，可以完全消除信号之间的延时和相位差，准确的恢复信号间固有的一一映射关系。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多采集通道延时先进先出数据存储系统，包括依次连接的多通道采集单元，用于采集模拟信号生成数字信号；先进先出存储控制单元，用于控制数据的读取和存储；存储单元，用于存储采集后的数据，进一步的，系统还包括测量单元，用于测量模拟信号之间的延时和相位关系；采集调整单元，用于对各通道的信号采集进行延时控制；多通道缓冲单元，用于存储延时采集后的有效数据；其中，测量单元的输入端连接于多通道采集单元，测量单元的输出端与采集调整单元的输入端相连；采集调整单元的输出端连接于多通道采集单元；多通道缓冲单元的输入端与先进先出存储控制单元相连，接收先进先出存储控制单元从存储单元中读取的数据。

多通道采集单元包括模数转换器，模数转换器的控制模块；多通道采集单元将模拟信号转换为数字信号。多通道采集单元的数量可以进行扩展。测量单元测量模拟信号之间的延时和相位关系，并将测量结果传送给采集调整单元，采集调整单元设置各通道采集单元采样信号的延时值，设定每个通道采集单元的采样时刻，每个通道的采集单元根据采集调整单元设定的采样时刻对模拟信号进行延时采样，并形成延时数字数据。先进先出存储控制单元将多通道采集单元采集所得的数据，直接存储到存储单元中；当存储单元中有数据并且其对应的多通道缓冲单元为请求获取数据状态，先进先出存储控制单元读取存储单元中的数据，将数据写入多通道缓冲单元中；多通道缓冲单元的数据来源于存储单元，多通道缓冲单元完成一组有效数据的存储后，数据可供系统使用，多通道缓冲单元的一组有效数据被系统使用后，系统将缓冲单元状态改变为请求获取数据状态，重新等待写入数据。存储单元采用静态存储器，存储单元数量与多通道采集单元数量相同，多通道缓冲单元的数量与存储单元的数量相同。

本发明同时提供一种多采集通道延时先进先出数据存储方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.测试各通道模拟信号之间的延时和相位关系；

b.为每个通道设定采样延时值、采样时刻；

c.进行多通道信号进行轮询数据采集；

d.将采集数据写入存储单元；

e.查看缓冲单元的状态，如果缓冲单元有数据，则不将存储单元的数据写入多通道缓冲单元，如果缓冲单元没有数据，将存储单元的数据写入多通道缓冲单元，供系统使用；

f.步骤e执行完后，返回步骤c。

所述的轮询数据采集包括以下步骤：

步骤1：系统初始化后，分配存储空间；

步骤2：查看第一道采集单元状态，是否采集完成；

步骤3：如果采集完成，获取通道采集的数据，如果采集没有完成，直接到步骤5；

步骤4：将数据写入存储单元，更新写指针；

步骤5：查看存储单元是否有数据；

步骤6：如果存储单元有数据，依次执行下面的步骤，如果存储单元没有数据，转入步骤9；

步骤7：查看多通道缓冲单元的状态，如果多通道缓冲单元请求数据，依次执行，如果多通道缓冲单元已存有数据，不需要请求新的数据，执行步骤9；

步骤8：执行从存储单元中读出此时属于最先存入的数据，并存入多通道缓冲单元中；

步骤9：状态跳转对相邻下一个数据通道执行操作；

步骤10：对相邻下一个数据通道执行步骤2至步骤8；

步骤11：状态跳转对第N数据通道执行操作；

步骤12：对第N数据通道执行步骤2至步骤8；

步骤13：完成一次延时先进先出数据存储的轮询操作，状态跳转对第1数据通道执行操作，返回步骤1。

本发明提供了一种包括测量单元、采集调整单元和多通道缓冲单元的延时FIFO数据存储系统，使得该系统可不仅以应用在普遍性的数据采集技术领域，实现对普通信号的采集存储，而且能够准确的对存在任意特定延时和相位差的多通道信号实现采集与存储。该系统的测量单元，可以测量出各通道信号间的延时差和相位关系，该系统的采集调整单元，可以根据通道信号间的关系，进行延时采样设置，多通道采集单元接收采集调整单元的命令进行采集，在采集调整单元没有对各通道设置不同的采样延时，各通道会同时接收到采集命令同时采集。在采集调整单元对各通道设置不同的采样延时，各通道会根据设置值，进行延时采集，并形成延时数据。充分保证采集的数据是相关的。延时先进先出存储控制单元采用的各通道轮询数据操作机制，协调多采集通道、存储单元、多通道缓冲单元运行工作，即通过流程的优化，使得循环周期中，完成一次操作所用的时间尽量的短，这样可以最大限度的提高系统的采样频率。另外该方法在系统使用中也可以体现其灵活性所在，即可以在改变外边信号与各通道之间的对应关系的情况下，还能进行正常数据存储。所提供多通道缓冲单元与系统接口，保证了与系统的衔接，使得上位机系统的操作，不会打乱本系统内的工作流程与时序。存储器只使用一片静态存储器，实现多通道数据的存储，结构上紧凑。

附图说明

图1多采集通道延时FIFO数据存储系统结构；

图2多采集通道延时FIFO数据存储机制；

图3原始多通道模拟信号图；

图4采用本发明后获取的多采集通道数据；

图5各通道的原始数字信号；

图6普通FIFO存储，存储单元的数据；

图7各通道的原始信号及各通道采样延时；

图8延时FIFO存储单元的数据排列。

具体实施方式

本发明的多采集通道延时先进先出数据存储系统，其包括多通道采集单元、先进先出存储控制单元、存储单元、多通道缓冲单元，尤其含有测量各通道信号间延时关系的测量单元、和根据测量单元的结果设定各通道采样时刻的采集调整单元。其次先进先出存储控制单元数据存储方法，采用的是对各通道进行的轮询数据存储的操作。其具体工作起来是对各通道的采集状态循环查询，对于某一通道有采集完数据，直接获取数据，并将数据存入存储单元中，对于某一通道没有采集完的数据，将不进行存储操作，在下一个循环周期中再对该采集通道状态进行查询，判断是否有采集完的数据，再执行相应的操作。这实现了延时数据的延时存储；在与存储单元的接口方面，任意通道一旦有采集完的数据，在循环查询到该通道状态后，会将数据直接写入存储单元中，同时根据存储单元的状态和多通道缓冲单元的状态，即在存储单元存有数据并且多通道缓冲单元请求数据的条件下，进行将存储单元现有的数据中最先存入的该通道数据取出，存入多通道缓冲单元中，其它情况将不进行存储单元与多通道缓冲单元的数据传输。

下面结合附图详细说明本发明的实施过程：

图1中多采集通道延时FIFO据存储系统结构13包括采集单元4、多通道采集单元14，包括采集单元4、采集单元5、采集单元6；先进先出存储控制单元9、存储单元10、多通道缓冲单元11、采集调整单元7、测量单元8。多通道采集单元14含有模数转换器、模数转换器的控制模块，将每个通道输入的模拟信号转换为数字信号，生成原始数据源，测量单元8可以是直接使用示波器仪器进行测量，或是系统，系统根据信号的规律测量出各通道之间的延时和相位，在实际实施中采用的是系统。多通道采集单元14的通道数可以根据需要进行扩展；多通道采集单元14接收采集调整单元7的命令进行采集，在采集调整单元7没有对各通道设置不同的采样延时，采集调整单元7在现场可编程门阵列中实现。各通道会同时接收到采集命令同时采集。在采集调整单元7对各通道设置不同的采样延时，各通道会根据设置值，进行延时采集，并形成延时数据。

图2为多采集通道延时FIFO数据存储方法中轮询数据采集的流程图，其工作方法为为系统初始化后，首先进行各通道存储区域分配，测试各通道信号的延时和相位差特性，为多通道采集单元14设定延时采样值和采样时刻，之后便进入到延时先进先出数据存储的轮询操作。其方法为，如果各通道有采集数据，直接将数据存储到存储单元10中，如果存储单元10有数据并且对应的多通道缓冲单元11需要获取数据，将数据从存储单元10中取出存入多通道缓冲单元11中，而多通道缓冲单元11一旦形成一组相关数据，就可以供系统使用，数据一旦被系统使用，多通道缓冲单元11状态改变为需要从存储单元10获取数据的状态。具体步骤如下：

1)查看第一通道采集单元4状态，是否采集完成；

2)如果采集完成，获取第一通道采集4的数据，如果采集没有完成，直接到步骤4)；

3)将采集完成的数据写入存储单元10，更新写指针地址；

4)查看该通道对应的存储单元10中是否有数据；

5)如果该通道对应的存储单元10中有数据，依次执行下面的步骤6，如果对应存储单元10没有数据，转入步骤8)；

6)查看该通道对应的多通道缓冲单元11的状态，如果多通道缓冲单元11为请求数据状态，执行下一步骤，如果多通道缓冲单元11已存有数据，不需要请求新的数据，执行步骤8)；

7)从存储单元10中读出此时属于最先存入的数据，并存入多通道缓冲单元11中；

8)更新存储单元10的读地址，状态跳转对第2数据通道2执行操作；

9)对第2数据通道执行步骤1)至步骤7)；

10)状态跳转对第N数据通道3执行操作；

11)对第N数据通道执行步骤1)至步骤7)；

12)完成一次延时先进先出数据存储的轮询操作，状态跳转对第1数据通道执行操作，返回步骤1。

图3为原始多通道模拟信号，实线部分为实际中需要采集获取的部分，为实现对信号实线部分的采集，需要通过测量单元8测出信号之间的延时和相位关系，根据测量结果由采集调整单元7对各通道的采集时刻进行调整，对采集后的数据，进行延时FIFO的数据存储，图中31、32、3 N分别代表通道第1、2和第N通道信号波形。图4中的41、42、4N分别代表通道第1、2和第N通道数据波形。

采集调整单元7在现场可编程门阵列中实现。多通道采集单元14其通道数根据实际情况可以在1-8通道数之间任意配置，本实施例采用对4个通道信号实现采集和延时FIFO数据存储。采样频率为20kHz，采样周期为50us，要采集9组数据，将各通道信号离散化后数据如图5所示，如果考虑各通道信号的相关性或延时关系，期望获取的数据，如图中带有数字标号的数据，个位标号代表的相关性和对应关系，十位的标号代表数据属于哪个通道，如“11”、“21”、“31”、“41”具有相关性，“12”、“22”、“32”、“42”具有相关性，“O”标识的部分表示无效数据。如果对各通道的信号的相关性或延时关系没有要求，则不需使用测量单元，采集调整单元也不需设置采样延时或者只需设置相同的采样延时，现设置为100us，执行9次采集后，存储单元存储的数据如图6所示，可以看出存储的各组各通道的数据含有一些无效的数据，延时FIFO的存储机制没有发挥其作用。

本系统的特点是含有测量单元8和采集调整单元7。如果考虑各通道信号的相关性或延时关系后，为了获取我们实际需要的数据，由测量单元8测出各通道信号之间的延时和相位关系，并将这测量结果设置到采集调整单元7中，测得结果如下，通道1需要设置250um采样延时，通道2需要设置400um采样延时，通道3需要设置100um采样延时，通道4需要设置300um采样延时。如图7所示。当采集调整单元7接收到9次采样信号后，采集调整单元7调整各通道采样延时，下发采集命令，这样多通道采集单元14会在相应的正确的采样时刻完成正确的数据的采集。

各通道的采集延时时间不同，采集到的数据完成的时间也不同，延时FIFO存储机制要求要满足对各通道的任意延时数据的存储。延时FIFO工作情况是根据图2流程运行，当各通道没有采集数据的时候，先进先出存储控制单元将不进行存储操作，只是进行状态循环查询，在采集时刻2，通道3的“31”数据采集完成，先进先出存储控制单元9从通道1开始查询各通道的采集状态，由于通道1和通道2还没有采集数据，不进行存储操作，当通道3有采集数据“31”时，先进先出存储控制单元9获取“31”的数据，并将其写入存储单元中，之后查看多通道缓冲单元11的状态，由于“31”属于通道3的是第一组数据，多通道缓冲单元11中没有数据，先进先出存储控制单元9将“31”的数据从存储单元10读出，写入多通道缓冲单元11中，转入通道4的采集状态的查询，通道4此时也没有采集数据，不对其进行相应的存储操作，这样一次各通道的轮询操作结束。开始下一次的轮询操作，在采集时刻3，通道1、2、4没有采集到数据，只有通道3采集数据“32”，先进先出存储控制单元9获取数据“32”并将其存入存储单元10中，此时多通道缓冲单元11的状态，还没有形成一组(4个通道)有效数据，系统不会改变多通道缓冲11单元的状态，也不需要将数据从存储单元10取出写入多通道缓冲单元11中，按着这种轮询操作，在进行到采集时刻8时刻，4个通道都有采集数据，从采集通道1状态查询开始，获取“14”数据，存入存储单元10中，此时根据多通道缓冲单元11的状态不进行任何操作，当查询到采集通道2状态后，获取“21”数据，存入存储单元10中，由于该数据属于第二通道的第1个采集数据，所以根据多通道缓冲单元11的状态，将“21”数据从存储单元取出，放入多通道缓冲单元11中，这样在多通道缓冲单元11中形成第一组相关数据“11”、“21”、“31”、“41”，系统可以通过该接口，在任意时刻获取该组数据，并更改多通道缓冲单元11的状态，使其可以接收下一组存储单元中的数据。按着这种延时先进先出存储的轮询机制，即如果各通道有采集数据，直接将数据存储到存储单元10中，如果存储单元10有数据并且对应的多通道缓冲单元需要获取数据，将数据从存储单元10中取出写入多通道缓冲单元11中，而多通道缓冲单元一旦形成一组相关数据，就可以供系统使用，数据一旦被系统使用，多通道缓冲单元11状态改变为需要从存储单元10获取数据的状态。在采样时刻16的一次轮询操作完成后，在存储单元10中准确的获取了实际需要获取的各通道采集数据，如图8所示，实现延时FIFO的数据存储。

Claims (13)

1.一种多采集通道延时先进先出数据存储系统，包括依次连接的

多通道采集单元，用于采集模拟信号生成数字信号；

先进先出存储控制单元，用于控制数据的读取和存储；

存储单元，用于存储采集后的数据；

其特征在于：还包括

测量单元，用于测量模拟信号之间的延时和相位关系；

采集调整单元，用于对各通道的信号采集进行延时控制；

多通道缓冲单元，用于存储延时采集后的有效数据；

其中，测量单元的输入端连接于多通道采集单元，测量单元的输出端与采集调整单元的输入端相连；采集调整单元的输出端连接于多通道采集单元；多通道缓冲单元的输入端与先进先出存储控制单元相连，接收先进先出存储控制单元从存储单元中读取的数据。

2.如权利要求1所述的多采集通道延时先进先出数据存储系统，其特征在于：多通道采集单元包括模数转换器，模数转换器的控制模块。

3.如权利要求1或2所述的多采集通道延时先进先出数据存储系统，其特征在于：所述的多通道采集单元，其数量可以进行扩展。

4.如权利要求1所述的多采集通道延时先进先出数据存储系统，其特征在于：测量单元测量模拟信号之间的延时和相位关系，并将测量结果传送至采集调整单元。

5.如权利要求1中所述的多采集通道延时先进先出数据存储系统，其特征在于：采集调整单元根据测量单元测量结果，设置多通道采集单元采样延时值，设定多通道采集单元的采样时刻。

6.如权利要求1、2或5所述的多采集通道延时先进先出数据存储系统，其特征在于：多通道采集单元根据采集调整单元设定的采集时刻对模拟信号进行延时采样，并形成延时数字数据。

7.如权利要求1所述的多采集通道延时先进先出数据存储系统，其特征在于：先进先出存储控制单元将多通道采集单元采集所得的数据，直接存储到存储单元中。

8.如权利要求1或7所述的多采集通道延时先进先出数据存储系统，其特征在于：当存储单元中有数据并且其对应的多通道缓冲单元为请求获取数据状态，先进先出存储控制单元读取存储单元中的数据，将数据写入多通道缓冲单元中。

9.如权利要求1或7中所述的多采集通道延时先进先出数据存储系统，其特征在于：存储单元采用静态存储器。

10.如权利要求1所述的多采集通道延时先进先出数据存储系统，其特征在于：多通道缓冲单元的数据来源于存储单元，多通道缓冲单元完成一组有效数据的存储后，数据可供系统使用，多通道缓冲单元的一组有效数据被系统使用后，系统将缓冲单元状态改变为请求获取数据状态，等待重新从存储单元获取数据。

11.如权利要求1、2、7或10所述的多采集通道延时先进先出数据存储系统，其特征在于：存储单元数量与多通道采集单元数量相同，多通道缓冲单元的数量与存储单元的数量相同。

12.一种多采集通道延时先进先出数据存储方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.测试各通道模拟信号之间的延时和相位关系；

b.为每个通道设定采样延时值、采样时刻；

c.进行多通道采集的数据信号进行轮询数据采集；

d.将采集数据写入存储单元；

e.查看缓冲单元的状态，如果缓冲单元有数据，则不将存储单元的数据写入多通道缓冲单元，如果缓冲单元没有数据，将存储单元的数据写入多通道缓冲单元，供系统使用；

f.步骤e执行完后，返回步骤c。

13.如权利要求12所述的多采集通道延时先进先出数据存储方法，其特征在于，所述的轮询数据采集包括以下步骤：

步骤1：系统初始化后，分配存储空间；

步骤2：查看第一通道采集单元状态，是否采集完成；

步骤3：如果采集完成，获取通道采集的数据，如果采集没有完成，直接到步骤5；

步骤4：将数据写入存储单元，更新写指针；

步骤5：查看存储单元是否有数据；

步骤6：如果存储单元有数据，依次执行下面的步骤，如果存储单元没有数据，转入步骤9；

步骤7：查看多通道缓冲单元的状态，如果多通道缓冲单元请求数据，依次执行，如果多通道缓冲单元已存有数据，不需要请求新的数据，执行步骤9；

步骤8：执行从存储单元中读出此时属于最先存入的数据，并存入多通道缓冲单元中；

步骤9：状态跳转对相邻下一个数据通道执行操作；

步骤10：对相邻下一个数据通道执行步骤2至步骤8；

步骤11：状态跳转对第N数据通道执行操作；

步骤12：对第N数据通道执行步骤2至步骤8；

步骤13：完成一次延时先进先出数据存储的轮询操作，状态跳转对第1数据通道执行操作，返回步骤1。

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