CN107907123B - 一种高速信号采集处理系统 - Google Patents

Abstract

一种高速信号采集处理系统，用于对模拟信号和数字信号同步高速采集，其中模拟信号采集通道中采集速率≥30M/s的数量不少于4路，采集速率≥1k/s的数量不少于6路。数据处理模块对采集的数据依据设定条件进行判读，将符合条件的故障现象处的数据以时间规则命名、存储。快速存储设备可以将采集的数据以优于250M/s的速度存储。数据处理模块还可以根据需求搜索、提取已存储的数据，并进行图像显示，从而实现故障现象的再现，并可对比分析。

Description

一种高速信号采集处理系统

技术领域

本发明涉及一种高速信号采集处理系统，属于光纤惯导技术领域。

背景技术

光纤陀螺仪作为一种新型惯性仪表，由于其精度、功耗、质量等方面的优势，已广泛应用于导弹、飞机、舰船和车辆等领域。随着光纤陀螺广泛应用，光纤陀螺的数量、种类也越来越多，性能要求越来越高。作为光机电一体化惯性仪表，光纤陀螺为弱信号传输与检测仪表，信号易受环境应力、温度梯度变化、电磁信号等影响较大，易出现输出信号波动等故障异常现象。

现有的示波器、光纤陀螺信号采集系统等只能对光电子器件等硬件的“外部”模拟信号或者光纤陀螺输出数据部分“内部”数字信号采集，不能做到“内、外”兼顾同时采集，且存在采集通道数量、采集速率受限等问题。而光纤陀螺过程中的信号种类多，经过的环节复杂，产生的数据频率高、速率快、数据量大，如不对这些数据进行全面的采集、分析、对比，很难梳理出产生问题的环节。

基于以上原因，提出一种高速信号采集处理系统，实现对光纤陀螺过程速率高、数据量大的数据的采集与分析，为光纤陀螺故障问题提供技术支持。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种高速信号采集处理系统，实现对光纤陀螺过程频率高、速率快、数据量大的数据的采集与分析，为光纤陀螺故障问题提供技术支持。

本发明的技术解决方案是：一种高速信号采集处理系统，包括模拟信号采集模块、数字信号接收模块、快速存储设备、数据处理模块、上位机；

数据处理模块通过时钟发送数据采集指令至模拟信号采集模块，并同步通过时钟发送数据接收指令至数字信号接收模块；数据处理模块接收模拟信号采集模块采集的光纤陀螺的模拟信号、接收数字信号接收模块接收的光纤陀螺的数字信号，数据处理模块将模拟信号采集模块采集的高速信号与低速信号以及数字信号接收模块接收的高速、中速、低速数字信号绘制成图像，发送至上位机进行同步实时显示；以数字信号接收模块接收的低速数字信号为基础数据，当数字信号接收模块接收的低速数字波动大于规定值时，进行报警，并发送存储指令至快速存储设备；数据处理模块发送上传指令至快速存储设备；

模拟信号采集模块接收到数据处理模块的数据采集指令后，采集光纤陀螺的模拟信号，并将模拟信号发送至数据处理模块，模拟信号包括探测器输出电压信号、调制信号、光源管芯温度信号、供电电流信号、供电电压信号；

数字信号接收模块接收到数据处理模块的数据接收指令后，接收光纤陀螺发送的数字信号，并将数字信号发送至数据处理模块，数字信号包括光纤陀螺内部A/D信号、积分信号和光纤陀螺输出数据信号；

快速存储设备接收到数据处理模块的存储指令后，记录数字信号接收模块接收的低速数字信号出现波动时刻前后设定时间段内的模拟信号采集模块采集的模拟信号数据以及数字信号接收模块接收的数字信号数据，以时间规则命名，分块存储；快速存储设备接收到数据处理模块发送的上传指令后，将分块存储的数据传输到上位机；

上位机接收快速存储设备传输来的数据，并对数据处理模块绘制的模拟信号采集模块采集的高速信号与低速信号以及数字信号接收模块接收的高速、中速、低速数字信号图像进行显示。

所述模拟信号采集模块是基于FPGA的A/D采集模块，包括A/D转换器、第一FPGA、第一SDRAM；第一FPGA接收数据处理模块发送的数据采集指令，控制A/D转换器采集光纤陀螺的模拟信号，A/D转换器将采集的光纤陀螺的模拟信号发送至第一SDRAM，第一FPGA将存储于第一SDRAM的光纤陀螺的模拟信号发送至数据处理模块。

所述A/D转换器输入信号幅值电压范围为-5.5V～5.5V，位数为12～16位，通道数量不少于10路，其中，采集速率≥30M/s的高速信号的通道数量不少于4路，采集速率≥1k/s的低速信号的通道数量不少于6路。

所述数字信号接收模块是基于FPGA的数字信号接收模块，包括转换接口、第二FPGA、第二SDRAM；第二FPGA接收数据处理模块发送的数据接收指令，控制转换接口采集光纤陀螺的数字信号，转换接口将光纤陀螺发送的TTL信号转换成LVDS信号并将转换后的LVDS信号发送至第二SDRAM，第二FPGA将存储于第二SDRAM的LVDS信号发送至数据处理模块。

数字信号接收模块接收的组帧的高速、中速、低速三种数字信号，其中，高速数字信号的传输速率≥20M/s，中速数字信号的传输速率等于1M/s，低速数字信号的传输速率等于1k/s。

快速存储设备读写速度≥1200M/s，读写延迟≥20微秒，存储容量≥1TB，支持可覆盖存储。

快速存储设备接收到数据处理模块的存储指令后，记录数字信号接收模块接收的低速数字信号出现波动时刻前后不少于1min的模拟信号采集模块采集的模拟信号数据以及数字信号接收模块接收的数字信号数据。

所述数据处理模块记录当数字信号接收模块接收的低速数字波动大于规定值时的报警次数。

所述数据处理模块通过时钟发送数据采集停止指令至模拟信号采集模块，并同步通过时钟发送数据接收停止指令至数字信号接收模块，控制模拟信号采集模块、数字信号接收模块停止数据采集。

所述上位机对快速存储设备传输来的数据进行搜索，获得目标数据文件，将目标数据文件通过数据处理模块进行图像绘制，数据处理模块将绘制的图像反馈至上位机进行显示。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明能够实现数字信号与模拟信号的多路采集，本发明的高速信号采集处理系统能够实现4路以上采集速率≥30M/s的高速模拟信号采集，6路以上采集速率≥1k/s的低速模拟信号采集，以及高速20M/s、中速1M/s、低速1k/s三种数字信号采集，采集路数远高于示波器的4路，光纤陀螺信号采集系统的1路。多路采集有力于对过程多个环节分析，便于发现问题实现故障现象诊断；

(2)本发明能够实现多路数字信号与模拟信号的高速同步采集，本发明的高速信号采集处理系统能够实现多路数字信号与模拟信号的同步触发、同步采集，做到对过程“内部”数字信号与“外部”模拟信号的“内、外”兼顾，全面的同步采集、分析、对比，便于发现问题实现故障现象诊断；

(3)本发明能够实现数字信号与模拟信号的高速存储、上传与故障再现，本发明的高速信号采集处理系统能够实现对采集到的大容量数据以优于250M/s的速度存储于固态硬盘，并根据判断准则，对采集的数据进行判断，将符合条件的数据保存并上传至上位机，根据需求可将对故障现象处数据图像显示、再现，避免示波器采集图像再现难的问题。

附图说明

图1为高速信号采集处理系统结构示意图

具体实施方式

如图1所示，一种高速信号采集处理系统，包括模拟信号采集模块1、数字信号接收模块2、快速存储设备3、数据处理模块4、上位机5。

数据处理模块4通过时钟发送数据采集指令至模拟信号采集模块1，为保证数、模数据采集的同步性，并同步通过时钟发送数据接收指令至数字信号接收模块2；数据处理模块4接收模拟信号采集模块1采集的光纤陀螺的模拟信号、接收数字信号接收模块2接收的光纤陀螺的数字信号，数据处理模块4将模拟信号采集模块1采集的高速信号与低速信号以及数字信号接收模块2接收的高速、中速、低速数字信号绘制成图像，发送至上位机5进行同步实时显示，以便于对多路数据实时对比分析，快速发现故障现象，并分析定位产生原因；以数字信号接收模块2接收的低速数字信号为基础数据，该低速数据为光纤陀螺输出数据，当数字信号接收模块2接收的低速光纤陀螺输出数据波动大于规定值时，进行报警，提示光纤陀螺输出异常，并发送存储指令至快速存储设备3，记录光纤陀螺输出异常时多路数据；由于采集的数据量非常大，而固态硬盘存储容量有限，数据数据处理模块4发送上传指令至快速存储设备3，将固态硬盘的存储数据搬运到上位机的硬盘上；

模拟信号采集模块1接收到数据处理模块4的数据采集指令后，采集光纤陀螺的外部硬件设备的模拟信号，并将模拟信号发送至数据处理模块4，模拟信号包括探测器输出电压信号、调制信号、光源管芯温度信号、供电电流信号、供电电压信号。这些模拟信号的变化可导致光纤陀螺输出变化；

数字信号接收模块2接收到数据处理模块4的数据接收指令后，接收光纤陀螺发送的数字信号，并将数字信号发送至数据处理模块4，数字信号包括光纤陀螺内部A/D信号、积分信号和光纤陀螺输出数据信号。AD采集信号、积分信号为光纤陀螺输出信号的原始信号，原始信号变化可导致光纤陀螺输出异常；

快速存储设备3接收到数据处理模块4的存储指令后，记录数字信号接收模块2接收的低速数字信号出现波动时刻前后设定时间段内的模拟信号采集模块1采集的模拟信号数据以及数字信号接收模块2接收的数字信号数据。为便于故障现象在时间轴上出现顺序的定位，存储文件文件名以时间规则命名，分块存储；快速存储设备3接收到数据处理模块4发送的上传指令后，将分块存储的数据传输到上位机5，以节省快速存储设备的存储空间；

上位机5接收快速存储设备3传输来的数据，并对数据处理模块4绘制的模拟信号采集模块1采集的高速信号与低速信号以及数字信号接收模块2接收的高速、中速、低速数字信号图像进行显示，实现多路数据的再现与对比分析，发现异常现象产生的环节。

模拟信号采集模块1是基于FPGA的A/D采集模块，包括A/D转换器1.1、第一FPGA1.2、第一SDRAM1.3；第一FPGA 1.2接收数据处理模块4发送的数据采集指令，控制A/D转换器1.1采集光纤陀螺的模拟信号，A/D转换器1.1将采集的光纤陀螺的模拟信号发送至第一SDRAM 1.3，第一FPGA 1.2将存储于第一SDRAM 1.3的光纤陀螺的模拟信号发送至数据处理模块4。FPGA可根据需求自定义配置与开发。模拟信号采集模块与系统其它模块连接可采用PCle接口连接。

A/D转换器1.1输入信号幅值电压范围为-5.5V～5.5V，位数为12～16位。为实现多个环节模拟信号的采集，A/D转换器采集通道数量不少于10路，其中，采集速率≥30M/s的高速信号的通道数量不少于4路，采集速率≥1k/s的低速信号的通道数量不少于6路。

数字信号接收模块2是基于FPGA的数字信号接收模块，包括转换接口2.1、第二FPGA2.2、第二SDRAM2.3；第二FPGA2.2接收数据处理模块4发送的数据接收指令，控制转换接口2.1采集光纤陀螺的数字信号，转换接口2.1将光纤陀螺发送的TTL信号转换成LVDS信号并将转换后的LVDS信号发送至第二SDRAM2.3，第二FPGA2.2将存储于第二SDRAM2.3的LVDS信号发送至数据处理模块4。

数字信号接收模块2接收的组帧的高速、中速、低速三种数字信号，其中，高速数字信号的传输速率≥20M/s，中速数字信号的传输速率等于1M/s，低速数字信号的传输速率等于1k/s。高速、中速、低速三种数字信号组帧，是为了保证数据的可靠性与传输效率。

为实现采集数据的快速读写，快速存储设备3采用固态硬盘，要求读写速度≥1200M/s，读写延迟≥20微秒，存储容量≥1TB，支持可覆盖存储。

快速存储设备3接收到数据处理模块4的存储指令后，记录数字信号接收模块2接收的低速数字信号出现波动时刻前后不少于1min的模拟信号采集模块1采集的模拟信号数据以及数字信号接收模块2接收的数字信号数据，存储的数据长度需综合考虑故障分析可行性与存储空间使用效率。

数据处理模块4记录当数字信号接收模块2接收的低速数字波动大于规定值时的报警次数，便于故障现象出现频率分析。

数据处理模块4通过时钟发送数据采集停止指令至模拟信号采集模块1，并同步通过时钟发送数据接收停止指令至数字信号接收模块2，控制模拟信号采集模块1、数字信号接收模块2停止数据采集。

上位机5对快速存储设备3传输来的数据进行搜索，获得目标数据文件，将目标数据文件通过数据处理模块4进行图像绘制，数据处理模块4将绘制的图像反馈至上位机5进行显示，实现多路数据的直观对比分析，并定位故障现象产生的原因。

实施例：

模拟信号采集模块采用10路16位40MSPS 9269AD转换器，输入信号幅值范围±2.5V,±5.0V，其中采集速率40M/s的数量为4路，采集速率1k/s的数量为6路，FPGA采用Xilinx的Spartan-6，SDRAM采用金士顿DDRIII 4GB内存条。转换接口采用四通道CMOS差分线路驱动器DS90C031实现。快速存储设备为intel750系列固态硬盘，PCle接口，读取速度2400MB/s,写入速度1200MB/s，容量1.2T。设定数字信号接收模块接收的低速1k/s数字信号数据波动为基准值的(-15％～15％)，当波动大于规定值时，进行报警，记录并存储波动点前后1min的模拟信号数据和数字信号数据。数据处理系统将记录存储的数据上传至上位机，并可提取绘制成图像，使得故障现象再现。通过10路模拟信号信息和3路数字信号信息对比分析，该系统能够对温度跳动、电流异常、调制解调异常等原因导致的光纤陀螺输出异常现象迅速定位，实现故障快速排查定位。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种高速信号采集处理系统，其特征在于：包括模拟信号采集模块(1)、数字信号接收模块(2)、快速存储设备(3)、数据处理模块(4)、上位机(5)；

数据处理模块(4)通过时钟发送数据采集指令至模拟信号采集模块(1)，并同步通过时钟发送数据接收指令至数字信号接收模块(2)；数据处理模块(4)接收模拟信号采集模块(1)采集的光纤陀螺的模拟信号、接收数字信号接收模块(2)接收的光纤陀螺的数字信号，数据处理模块(4)将模拟信号采集模块(1)采集的高速信号与低速信号以及数字信号接收模块(2)接收的高速、中速、低速数字信号绘制成图像，发送至上位机(5)进行同步实时显示；以数字信号接收模块(2)接收的低速数字信号为基础数据，当数字信号接收模块(2)接收的低速数字波动大于规定值时，进行报警，并发送存储指令至快速存储设备(3)；数据处理模块(4)发送上传指令至快速存储设备(3)；

模拟信号采集模块(1)接收到数据处理模块(4)的数据采集指令后，采集光纤陀螺的模拟信号，并将模拟信号发送至数据处理模块(4)，模拟信号包括探测器输出电压信号、调制信号、光源管芯温度信号、供电电流信号、供电电压信号；

数字信号接收模块(2)接收到数据处理模块(4)的数据接收指令后，接收光纤陀螺发送的数字信号，并将数字信号发送至数据处理模块(4)，数字信号包括光纤陀螺内部A/D信号、积分信号和光纤陀螺输出数据信号；

快速存储设备(3)接收到数据处理模块(4)的存储指令后，记录数字信号接收模块(2)接收的低速数字信号出现波动时刻前后设定时间段内的模拟信号采集模块(1)采集的模拟信号数据以及数字信号接收模块(2)接收的数字信号数据，以时间规则命名，分块存储；快速存储设备(3)接收到数据处理模块(4)发送的上传指令后，将分块存储的数据传输到上位机(5)；

上位机(5)接收快速存储设备(3)传输来的数据，并对数据处理模块(4)绘制的模拟信号采集模块(1)采集的高速信号与低速信号以及数字信号接收模块(2)接收的高速、中速、低速数字信号图像进行显示；

所述模拟信号采集模块(1)是基于FPGA的A/D采集模块，包括A/D转换器(1.1)、第一FPGA(1.2)、第一SDRAM(1.3)；第一FPGA(1.2)接收数据处理模块(4)发送的数据采集指令，控制A/D转换器(1.1)采集光纤陀螺的模拟信号，A/D转换器(1.1)将采集的光纤陀螺的模拟信号发送至第一SDRAM(1.3)，第一FPGA(1.2)将存储于第一SDRAM(1.3)的光纤陀螺的模拟信号发送至数据处理模块(4)；

所述A/D转换器(1.1)输入信号幅值电压范围为-5.5V～5.5V，位数为12～16位，通道数量不少于10路，其中，采集速率≥30M/s的高速信号的通道数量不少于4路，采集速率≥1k/s的低速信号的通道数量不少于6路；

所述上位机(5)对快速存储设备(3)传输来的数据进行搜索，获得目标数据文件，将目标数据文件通过数据处理模块(4)进行图像绘制，数据处理模块(4)将绘制的图像反馈至上位机(5)进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种高速信号采集处理系统，其特征在于：所述数字信号接收模块(2)是基于FPGA的数字信号接收模块，包括转换接口(2.1)、第二FPGA(2.2)、第二SDRAM(2.3)；第二FPGA(2.2)接收数据处理模块(4)发送的数据接收指令，控制转换接口(2.1)采集光纤陀螺的数字信号，转换接口(2.1)将光纤陀螺发送的TTL信号转换成LVDS信号并将转换后的LVDS信号发送至第二SDRAM(2.3)，第二FPGA(2.2)将存储于第二SDRAM(2.3)的LVDS信号发送至数据处理模块(4)。

3.根据权利要求2所述的一种高速信号采集处理系统，其特征在于：数字信号接收模块(2)接收的组帧的高速、中速、低速三种数字信号，其中，高速数字信号的传输速率≥20M/s，中速数字信号的传输速率等于1M/s，低速数字信号的传输速率等于1k/s。

4.根据权利要求1或2所述的一种高速信号采集处理系统，其特征在于：快速存储设备(3)读写速度≥1200M/s，读写延迟≥20微秒，存储容量≥1TB，支持可覆盖存储。

5.根据权利要求4所述的一种高速信号采集处理系统，其特征在于：快速存储设备(3)接收到数据处理模块(4)的存储指令后，记录数字信号接收模块(2)接收的低速数字信号出现波动时刻前后不少于1min的模拟信号采集模块(1)采集的模拟信号数据以及数字信号接收模块(2)接收的数字信号数据。

6.根据权利要求1或2所述的一种高速信号采集处理系统，其特征在于：所述数据处理模块(4)记录当数字信号接收模块(2)接收的低速数字波动大于规定值时的报警次数。

7.根据权利要求6所述的一种高速信号采集处理系统，其特征在于：所述数据处理模块(4)通过时钟发送数据采集停止指令至模拟信号采集模块(1)，并同步通过时钟发送数据接收停止指令至数字信号接收模块(2)，控制模拟信号采集模块(1)、数字信号接收模块(2)停止数据采集。

Images