CN102608656B - 分布式并行控制声发射全波形记录的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式并行控制声发射全波形记录的系统，其特征在于，包括：计算机机群采集装置、同步触发清零模块和同步数据转移控制模块，其中，计算机机群采集装置是由至少3台子机组成，所述每台子机均包括：声发射传感器、前置放大器、数据采集模块、动态存储器和高速磁盘。本发明所述的一种分布式并行控制声发射全波形记录的系统能够从多个方位记录声发射波信号的高速高精度记录，克服了现有技术中低精度、低数据量、非全波形非连续采集和“死时间”等问题。

Description

分布式并行控制声发射全波形记录的系统

技术领域

本发明涉及全波形记录采集分析领域，尤其涉及一种分布式并行控制声发射全波形记录的系统。

背景技术

声发射是介质在受到形变或外力作用时，因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。在构造物理实验中，可以把声发射现象当作地震的发生。因此，在地震模拟中，对声发射现象的数据记录和处理有着非常重要的作用。

由于岩石的声发射频率很高，为了获得更为精确的数据波形曲线，随着电子电工技术的发展，声发射现象时的数据的采样频率已增大到10MHz～40MHz，采样分辨率(或动态范围)也从8bit提高到12bit。

随着声发射空间定位需求的增长，声发射系的采样通道数也迅速扩展，从经典的8个通道增加到32通道。这些指标的大幅度提高有效地改善了对声发射波形的记录精度，但同时也使记录数据量猛增。这就会在数据传输和存储过程中产生大量“死时间”(所有数据需要从数据采集系统的高速缓存器中，通过通讯接口转移到计算机的外存储器上。数据转移需要占用相当的时间，在转移过程中，整个采集系统处于关闭等待状态，因此这段时间被称为“死时间”)。但是，在岩石失稳破坏阶段，声发射事件发生频度可能达到每秒钟上千次，可能产生的突发数据量将达到每秒几百万字节。从高速缓存器中把如此巨大的数据量高速转移到计算机的外存储设备上，会由于存在大量的死时间而造成丢失大量的声发射数据，使后续分析产生很大偏差。

传统的声发射系统基本采用单个数据通讯接口，在每次记录完成后，所有通道的数据都要通过这一个接口传输到计算机的外存器上去，这对接口速度提出了极高的要求，而且目前还没有哪种性能合适的技术可以选。

为了记录声道发射时的大量数据，现有的声发射记录仪的大体分为两种：

1、用半波形或者少量人工定义的波形据来代替全波形数据。这种方式会大大损失声发射波形数据所携带的信息，特别是在科学研究领域，那些常规定义的参数很不适用，而实验前一般也无法确定哪些参数合适。

2、加大静态存储器容量，增加采集器的缓存空间，使一段时间内的声发射波形不必转移，暂存在缓存里。然而，当缓冲空间装满后，转移的死时间会成倍增长。

上述两种方法虽然都在某种程度上避免了对大量数据存储速度过慢的弱点，在一定程度上减小了“死时间”，但是同时也会造成大量数据的丢失，对波形的恢复和分析研究带来了很大的问题，并且对于死时间的问题也没有从根本上得到解决。

综上所述，如何解决“死时间”问题同时不会造成大量数据的丢失便成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种分布式并行控制声发射全波形记录的系统，以解决声发射全波形记录的“死时间”问题以及造成大量数据的丢失问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种分布式并行控制声发射全波形记录的系统，其特征在于，包括：计算机机群采集装置、同步触发清零模块和同步数据转移控制模块，其中，

所述计算机机群采集装置是由至少3台子机组成，所述每台子机均包括：声发射传感器、前置放大器、数据采集模块、动态存储器和高速磁盘；其中，

所述声发射传感器与所述前置放大器相连接，并接收被测介质的声发射数据，将该声发射数据传送给所述前置放大器进行处理；

所述前置放大器与数据采集模块相连，所述数据采集模块与动态存储器相连，所述高速磁盘与所述动态存储器相连，所述前置放大器将处理后的该声发射数据传送给数据采集模块进行处理后发送给所述动态存储器进行存储，同时等待同步数据转移控制模块的指示，当接到指示后将声发射数据传送给所述高速磁盘进行存储；

所述同步触发清零模块，分别与所述计算机机群采集装置中的每台子机上的所述数据采集模块相连接，用于控制每台子机的同步触发清零；

所述同步数据转移控制模块，分别与所述计算机机群采集装置中的每台子机上的所述动态存储器和高速磁盘相连接，用于根据设置的指示分布式同步转移控制每台子机上的声发射数据通过所述动态存储器传送给所述高速磁盘进行存储。

进一步地，其中，所述数据采集模块包括：程控放大器、模/数转换器、静态随机存储器，其中，

所述程控放大器一端与所述前置放大器相连接，另一端与所述模/数转换器相连接，所述模/数转换器另一端与所述静态随机存储器相连接，所述静态随机存储器另一端与所述动态存储器相连接。

进一步地，其中，所述同步触发清零模块为NS级同步触发清零模块。

进一步地，其中，所述计算机机群采集装置采用32台子机组成。

进一步地，其中，所述数据采集模块与动态存储器之间通过计算机总线进行连接。

进一步地，其中，所述动态存储器与高速磁盘之间通过高速ATA总线进行连接。

与现有技术相比，本发明所述的一种分布式并行控制声发射全波形记录的系统能够从多个方位记录声发射波信号的高速高精度记录，克服了现有技术中低精度、低数据量、非全波形非连续采集和“死时间”等问题。

附图说明

图1为本发明实施例一所述的一种分布式并行控制声发射全波形记录的系统结构框图。

图2为本发明实施例一所述的系统中的计算机机群采集装置结构框图。

图3为本发明实施例一所述的系统中的同步触发清零模块结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明实施例一所述的一种分布式并行控制声发射全波形记录的系统，包括：计算机机群采集装置101、同步触发清零模块102和同步数据转移控制模块103，其中，

计算机机群采集装置101是由多台子机组成(本发明实施例一采用的是1套32台子机)，如图2所示，所述每台子机均包括：AE(声发射)传感器201、前置放大器202、程控放大器203、A/D(模/数)转换器204、静态随机存储器(SRAM，Static RAM)205，动态存储器206和高速磁盘207；其中，

AE(声发射)传感器201与前置放大器202相连接，AE(声发射)传感器201接收被测介质的声发射数据(即被测景区中的岩石的声发射数据)并将该声发射数据传送给前置放大器202进行处理；

前置放大器202与程控放大器203相连接，程控放大器203另一端则与A/D(模/数)转换器204、A/D(模/数)转换器204的另一端则与静态随机存储器(SRAM，Static RAM)205相连接，前置放大器202将处理后的该声发射数据传送给程控放大器203、A/D(模/数)转换器204、静态随机存储器(SRAM，StaticRAM)205进行依次处理后通过PC总线发送给所述动态存储器206进行存储，同时等待同步数据转移控制模块103的指示，当接到指示后将声发射数据通过高速ATA总线传送给高速磁盘进行存储。

上述指示例举了一台子机的在接收声发射数据后的处理，本发明的重点在于计算机机群采集装置101是由多台子机组成。而每台子机中所采用的具体装置均为现有技术中所采用的装置，这里不对具体装置进行赘述。

同时，同步触发清零模块102分别和每台子机上的数据采集模块(由程控放大器203、A/D(模/数)转换器204、静态随机存储器(SRAM，Static RAM)205组成)相连，用于控制每台子机的同步触发清零。

如图3所示，本发明实施例一的同步触发清零模块102采用的是NS(Nanosecond(nS)纳秒，1/10⁹秒)级同步触发清零模块102。同步触发清零模块102是为了在高速数据采集状态下的实时控制同步。当同步触发清零模块102连接到同步触发上的一个数据采集模块被声发射信号(数据)触发之后，会向该同步触发清零模块102发出一个触发脉冲。同步触发清零模块102在收到来自某个数据采集模块的触发脉冲后，会立即转发给其它的各个单元，使整个系统在20～40ns之内，启动数据采集进程。

NS级同步触发清零模块102在运行状态下，产生2～3ns的脉冲开关，并行控制各个子机上数据采集模块的同步触发与清零动作，这就保证同步时间误差小于1个采样间隔，触发与清零开关指令保证了在最短采样间隔20ns精度上的并行采样同步。

同步数据转移控制模块103与每台子机上的动态存储器206和高速磁盘207相连接，用于根据设置的指示分布式同步转移控制每台子机上静态随机存储器205上的声发射数据通过动态存储器206给高速磁盘207。从而实现在参数设定、数据库管理状态下的信息共享同步。同步数据转移控制模块103通过高速开关板，提供2μs的开关指令，并行控制各个子机的数据转移与存盘进程。数据转移与存盘指令保证了在最短采样长度20μs(以50MHz，1024点计算)精度上的并行进程同步，在参数设定或数据库管理状态下，同步数据转移控制模块103通过高速局域网相互对话，信息与数据包以毫秒级速度在它们之间传递，本发明系统的操作者可以随意设定运行参数或调用管理数据库。

每台子机均具有一个数据采集通道提供单独的高速数据通讯接口以及一个单独的外存储器(即动态存储器206)，同时每台子机之间通过同步触发清零模块102和同步数据转移控制模块103进行统一控制。计算机机群采集装置101由多台子机组成，因此就具有多个采集信道，这样成倍地拓宽了声发射数据传输总线的宽度，因此也成倍地提高了声发射数据的吞吐。在本实施例一中计算机机群采集装置101由32台子机组成的机群的瞬态声发射数据流量可以达到1024Mbytes/s，能很好的适应声发射观测的需要。

这里的同步概念中最核心的是要保证，在机群里面几十台计算机上各自所获得的声发射波形中的每个采样点的时差不能超过几十个纳秒(按照设定采样频率不同，最高可以是20纳秒.)。为了保证机群在几十小时连续工作过程里，记录到的成千上万组波形上各个采样点的误差都不大于这个指标，又从系统启动清零(微秒级)，存盘做图(毫秒级)两个级别上设计了同步。

综上所述，与现有技术相比，本发明所述的一种分布式并行控制声发射全波形记录的系统能够从多个方位记录声发射波信号的高速高精度记录，克服了现有技术中低精度、低数据量、非全波形非连续采集和“死时间”等问题。

同时，实现了多通道(32通道及以上)的声发射数据的全波形动态连续采集；而且采用分布式并行控制，实现了景区同步采集，解决了地震模拟中岩石声发射数据过大，以及数据转移存储过程中的死时间问题，将死时间控制在了lms时间内，大幅提高了数据传输效率。

本发明的特点在于在一般的机群架构上，增加了数据转移和存储的同步数据采集并行控制机构，这种同步技术分别是纳秒、微秒与毫秒三个时间精度级别的，这就形成了依托在计算机机群之上的并行控制与分布式数据管理存储的多通道高速数据采集系统，其协调机制按照不同的时间精度级别有所不同：

1、纳秒同步协调：通过高频电缆传送纳秒级同步脉冲，这种同步脉冲的信号是纳秒级对应的，这就使得每个计算机在接收同一时刻数据的间隔误差只在几个纳秒的范围内。

2、微秒同步协调：通过高速并行I/O接口，发送同步信号。使得系统在接收同一个信号后在同一时刻清零，然后同步启动下一个数据的同步接收。

3、毫秒同步协调：通过高速计算机网络，传送同步指令。使得数据在几个微秒中实现存盘、做图处理等等。

现有技术是无法应用于几十兆速度的多通道同步数据采集的，而如此高速的数据采集如果没有机群技术的支持，则不可能获得高速大容量的数据存储。这个系统的设计，结合了两者的优点，克服了他们各自的缺陷，由此获得了很强的声发射全波形采集能力。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种分布式并行控制声发射全波形记录的系统，其特征在于，包括：计算机机群采集装置、同步触发清零模块和同步数据转移控制模块，其中，

所述计算机机群采集装置是由至少3台子机组成，所述每台子机均包括：声发射传感器、前置放大器、数据采集模块、动态存储器和高速磁盘；其中，

所述声发射传感器与所述前置放大器相连接，并接收被测介质的声发射数据，将该声发射数据传送给所述前置放大器进行处理；

所述前置放大器与数据采集模块相连，所述数据采集模块与动态存储器相连，所述高速磁盘与所述动态存储器相连，所述前置放大器将处理后的该声发射数据传送给数据采集模块进行处理后发送给所述动态存储器进行存储，同时等待同步数据转移控制模块的指示，当接到指示后将声发射数据传送给所述高速磁盘进行存储；

所述同步触发清零模块，分别与所述计算机机群采集装置中的每台子机上的所述数据采集模块相连接，用于控制每台子机的同步触发清零；

所述同步数据转移控制模块，分别与所述计算机机群采集装置中的每台子机上的所述动态存储器和高速磁盘相连接，用于根据设置的指示分布式同步转移控制每台子机上的声发射数据通过所述动态存储器传送给所述高速磁盘进行存储。

2.如权利要求1所述的分布式并行控制声发射全波形记录的系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：程控放大器、模/数转换器、静态随机存储器，其中，

所述程控放大器一端与所述前置放大器相连接，另一端与所述模/数转换器相连接，所述模/数转换器另一端与所述静态随机存储器相连接，所述静态随机存储器另一端与所述动态存储器相连接。

3.如权利要求1所述的分布式并行控制声发射全波形记录的系统，其特征在于，所述同步触发清零模块为NS级同步触发清零模块。

4.如权利要求3所述的分布式并行控制声发射全波形记录的系统，其特征在于，所述计算机机群采集装置采用32台子机组成。

5.如权利要求4所述的分布式并行控制声发射全波形记录的系统，其特征在于，所述数据采集模块与动态存储器之间通过计算机总线进行连接。

6.如权利要求5所述的分布式并行控制声发射全波形记录的系统，其特征在于，所述动态存储器与高速磁盘之间通过高速ATA总线进行连接。

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