JP2016114490A - Data collection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、分析装置等で得られたデジタルデータを収集してデータ処理に供するデータ収集装置に関し、さらに詳しくは、複数回の繰り返し測定のそれぞれにおいて得られたデータを積算して収集するデータ収集装置に関する。 The present invention relates to a data collection device that collects digital data obtained by an analysis device or the like and uses it for data processing. More specifically, the present invention relates to data collection for collecting and collecting data obtained in each of a plurality of repeated measurements. Relates to the device.
質量分析装置などの分析装置においては、検出器により得られたアナログ検出信号が所定のサンプリング時間間隔でサンプリングされ、そのサンプル値がアナログ/デジタル変換器(以下「ADC」と称す)においてデジタルデータに変換されてデータ処理部に入力される。近年の分析装置では、多くの場合、データ処理部の機能は汎用のパーソナルコンピュータ上で専用のデータ処理ソフトウエア(プログラム)を実行することによって達成される。 In an analyzer such as a mass spectrometer, an analog detection signal obtained by a detector is sampled at a predetermined sampling time interval, and the sample value is converted into digital data in an analog / digital converter (hereinafter referred to as “ADC”). It is converted and input to the data processor. In recent analyzers, in many cases, the function of the data processing unit is achieved by executing dedicated data processing software (program) on a general-purpose personal computer.
例えば飛行時間型質量分析計(以下「TOFMS」と称す)では、通常、1回のイオン飛行動作によって分析されるイオンの量が少ないために分析感度が低い。そのため、同じ試料に対して複数回の測定を繰り返し行い、それぞれの測定において得られた飛行時間とイオン強度(信号強度)との関係を示す飛行時間スペクトルデータを積算することでSN比を向上させるようにしている。そうして得られた飛行時間スペクトルにおける飛行時間を質量電荷比に換算することによって、質量電荷比と信号強度との関係を示すマススペクトルを得ることができる。例えば特許文献1に記載のTOFMSでは、複数回の繰り返し測定においてそれぞれ得られた飛行時間スペクトルデータを積算したものが、データ処理部に供給されメモリに書き込まれるようになっている。
For example, a time-of-flight mass spectrometer (hereinafter referred to as “TOFMS”) usually has a low analysis sensitivity because the amount of ions analyzed by one ion flight operation is small. For this reason, the S / N ratio is improved by repeatedly measuring the same sample a plurality of times and integrating the time-of-flight spectrum data indicating the relationship between the time of flight and the ion intensity (signal intensity) obtained in each measurement. I am doing so. By converting the time of flight in the time-of-flight spectrum thus obtained into a mass-to-charge ratio, a mass spectrum indicating the relationship between the mass-to-charge ratio and the signal intensity can be obtained. For example, in the TOFMS described in
ADCによりデジタル値に変換されたあとの飛行時間スペクトルデータを積算してデータ処理部へ転送するデータ収集回路は、一般に、積算途中のデータを一時的に記憶するメモリと、データの加算処理を行う加算器と、を備える。加算処理には高速性が要求されるため、加算器はFPGA(Field Programmable Gate Array)などによるハードウエア回路で構成され、メモリとしては、汎用のQDR(Quad Data Rate)系SRAMやDDR(Double Data Rate)系SDRAMが用いられることが多い。
図5(a)〜(c)は、従来一般的である、積算処理を行うデータ収集回路の概略構成を示す図である。
A data acquisition circuit that integrates the time-of-flight spectrum data after being converted into a digital value by the ADC and transfers the data to the data processing unit generally performs a memory that temporarily stores the data being integrated and an addition process of the data And an adder. Since high-speed processing is required for the addition processing, the adder is configured by a hardware circuit such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) and the memory is a general-purpose QDR (Quad Data Rate) SRAM or DDR (Double Data Rate) SDRAM is often used.
FIGS. 5A to 5C are diagrams showing a schematic configuration of a data acquisition circuit that performs integration processing, which is generally used in the past.
図5(a)は、メモリとしてQDR系SRAMを用いたデータ収集回路の概略構成図である。TOFMSの検出器41で得られたアナログ検出信号はアンプ42で増幅されたあと、ADC43においてサンプリングされ、サンプル毎にデジタルデータへ変換される。FPGA50はADC値取込部51と加算部52とを含み、このFPGA50にQDR系SRAM60が接続されている。ADC値取込部51はADC43から出力されたデータを読み込んで加算部52に送る。加算部52はADC値取込部51からデータを受け取るとともにQDR系SRAM60に格納されているその直前までの積算データ(積算中データ)を読み出し、両者を加算して、QDR系SRAM60において上記積算中データにその新たなデータを上書きする。こうした加算動作を所定回数繰り返すことで、所定回数分のデータを加算した積算データが得られたならば、そのデータを図示しないデータ処理部へと転送する。
FIG. 5A is a schematic configuration diagram of a data acquisition circuit using a QDR SRAM as a memory. The analog detection signal obtained by the TOFMS
QDR系SRAMではデータの読出しポートと書込みポートとが独立に設けられているため、データ読出し動作と書込み動作とを並行して実行することができる。そのため、制御上の制約が少ない。また、加算処理間のアイドル時間を実質的に必要とせず、高速処理が可能であって、測定の繰り返し速度を上げるのに有利である。その反面、同じ記憶容量である場合、QDR系SRAMはDDR系SDRAMの数十倍の価格であり、コストの点ではかなり不利である。 In the QDR SRAM, since the data read port and the write port are provided independently, the data read operation and the write operation can be executed in parallel. Therefore, there are few restrictions on control. Further, the idle time between the addition processes is not substantially required, and high-speed processing is possible, which is advantageous in increasing the measurement repetition rate. On the other hand, when the storage capacity is the same, the QDR SRAM is tens of times the price of the DDR SDRAM, which is a disadvantage in terms of cost.
図5(b)は、メモリとしてDDR系SDRAMを用いたデータ収集回路の概略構成図である。図5(a)と同じ構成要素には同じ符号を付している。
DDR系SDRAMはコマンドによる制御が必要であるため、FPGA50にDDRコントローラ53が内蔵されており、このDDRコントローラ53を介してDDR系SDRAM61へのデータの読み書きが行われる。DDR系SDRAMはQDR系SRAMに比べて格段に安価であるから、図5(b)に示した構成の利点はコストの圧倒的な低さである。その反面、DDR系SDRAMでは読み出し動作と書き込み動作とを並行して実行できないために、加算処理とデータの取込みとをパイプライン処理で行うことができない。また、アクセスも低速であるために、加算処理と次の加算処理との間にアイドル時間が必要となり、そのために測定の繰り返し速度を上げることが難しい。
FIG. 5B is a schematic configuration diagram of a data collection circuit using a DDR SDRAM as a memory. The same components as those in FIG. 5A are denoted by the same reference numerals.
Since the DDR SDRAM needs to be controlled by a command, the DDR
図5(c)は、汎用メモリを使用せずにFPGA50に内蔵した内部SRAM54を用いたデータ収集回路の概略構成図である。この構成では、外部との配線を介したメモリのアクセスが不要であるため、制御は容易であるものの、内部SRAMをFPGAに内蔵するためにFPGAが大規模になり、コストは最も高くなる。
FIG. 5C is a schematic configuration diagram of a data collection circuit using an
また上記いずれの構成においても、所定回数の積算処理が終了してメモリに格納されているデータを該メモリから読み出してデータ処理部等へと転送する必要があるが、そのデータの読み出し動作時にはメモリを用いた新たな積算処理を行うことができないために、測定の待ち時間が発生する。そのため、この待ち時間の分だけ測定に時間が余計に掛かり、分析のスループットが低下する、という共通の問題がある。 In any of the above configurations, it is necessary to read out the data stored in the memory after completion of the predetermined number of integration processes and transfer it to the data processing unit or the like. Since a new integration process using can not be performed, a measurement waiting time occurs. Therefore, there is a common problem that the measurement takes extra time for the waiting time and the analysis throughput is reduced.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、コストをできるだけ抑えつつ、積算終了後のデータの転送時に測定の待ち時間が生じるという従来の構成に共通の問題を解決して分析のスループットを向上させることができるデータ収集装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its main object is to reduce the cost as much as possible and to solve the problem common to the conventional configuration in which a waiting time for measurement occurs at the time of data transfer after the integration is completed. It is an object of the present invention to provide a data collection device that can solve the problem and improve the throughput of analysis.
上記課題を解決するために成された本発明は、所定回数の繰り返し測定でそれぞれ得られたデータを積算して一つの測定データを取得するという動作を繰り返し実施することにより、測定データを収集するデータ収集装置において、
a)積算途中のデータを一時的に格納するための第1のメモリと、
b)前記第1のメモリに格納されている積算途中のデータを読み出して該データと1回の測定に対して新たに得られたデータとを加算し、それにより得られたデータを前記第1のメモリに書き込む、という動作を繰り返すことで、N回(Nは2以上の整数)積算されたデータを取得する第1の加算部と、
c)前記第1のメモリ及び前記第1の加算部によってN回積算されたあとのデータを格納するための第2のメモリと、
d)前記第2のメモリに格納されているN回積算済みであるデータと、その直前に格納されたN回積算済みであるデータ又はN回積算済みデータをさらにM−1回(Mは2以上の整数)積算したデータとを読み出してそれらデータ同士を加算し、その加算されたデータを前記第2のメモリに書き込む、という動作をM回(Mは2以上の整数)繰り返すことで、N×M回積算されたデータを取得する第2の加算部と、
e)前記第2のメモリに格納されているN×M回積算済みであるデータを読み出して外部へと転送するデータ転送部と、
を備え、前記第2のメモリとしてDDR系SDRAMを用い、前記第1のメモリ、前記第1の加算部、前記第2の加算部、及び前記データ転送部を1チップの集積回路に含むようにしたことを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention collects measurement data by repeatedly performing an operation of accumulating data respectively obtained by a predetermined number of repeated measurements to obtain one measurement data. In the data collection device,
a) a first memory for temporarily storing data during integration;
b) Reading data in the middle of accumulation stored in the first memory, adding the data and newly obtained data for one measurement, and obtaining the obtained data as the first data A first addition unit that acquires data accumulated N times (N is an integer of 2 or more) by repeating the operation of writing to the memory of
c) a second memory for storing data after being multiplied N times by the first memory and the first adder;
d) The data stored in the second memory that has been integrated N times and the data that has been stored N times or the data that has been integrated N times immediately before are stored M−1 times (M is 2). By repeating the operation of reading out the integrated data) and adding the data together and writing the added data in the second memory M times (M is an integer of 2 or more), N A second adder for acquiring data accumulated × M times;
e) a data transfer unit that reads the data accumulated in N × M times stored in the second memory and transfers the data to the outside;
DDR SDRAM is used as the second memory, and the first memory, the first adder, the second adder, and the data transfer unit are included in a one-chip integrated circuit. It is characterized by that.
本発明に係るデータ収集装置の典型的な一態様として、前記1チップの集積回路はフィールドプログラマブルゲートアレー(FPGA)である構成とするとよい。また、第1のメモリとしては該FPGAに含まれるSRAMを用いるとよい。 As a typical aspect of the data collection device according to the present invention, the one-chip integrated circuit may be a field programmable gate array (FPGA). Further, an SRAM included in the FPGA may be used as the first memory.
本発明に係るデータ収集装置には、例えば特許文献2などに開示されている液体クロマトグラフ−イオントラップ飛行時間型質量分析装置(LC−IT−TOFMS)などの検出器で時々刻々と得られるアナログ検出信号をアナログ/デジタル変換器で変換したデジタルデータが入力される。TOFMSでは、1回の測定で所定の質量電荷比範囲に対応する所定の飛行時間範囲に亘るスペクトルデータ(飛行時間スペクトルデータ)が得られ、このデータが積算される。つまりは、飛行時間スペクトル上の飛行時間毎にイオン強度が積算される。
In the data collection device according to the present invention, for example, an analog obtained every moment by a detector such as a liquid chromatograph-ion trap time-of-flight mass spectrometer (LC-IT-TOFMS) disclosed in
アナログ/デジタル変換器から入力されるデータに対するN回の積算は、第1の加算部と第1のメモリとにより行われる。即ち、1回の測定に対するデータが新たに入力されると、第1の加算部は、第1のメモリに格納されている積算途中のデータを読み出して該データに新たなデータを加算し、その加算されたデータを第1のメモリ上の、上記積算途中のデータと同じ記憶領域に書き込む。つまりデータを上書きする。これをN回繰り返すことで、N回分のデータの積算が行われる。なお、N回の積算の初期状態では第1のメモリに格納されている積算途中のデータの値はゼロにリセットしておけばよい。 The integration of N times for the data input from the analog / digital converter is performed by the first adder and the first memory. That is, when data for one measurement is newly input, the first addition unit reads out the data in the middle of accumulation stored in the first memory, adds the new data to the data, The added data is written in the same storage area as the data being accumulated on the first memory. In other words, the data is overwritten. By repeating this N times, data accumulation for N times is performed. In the initial state of N integrations, the value of data stored in the first memory during integration may be reset to zero.
第1の加算部と第1のメモリとによりN回データを積算する毎に、その積算済みのデータを第2のメモリに書き込む。また、上記N回のデータ積算を行う毎に、第2の加算部は第2のメモリに格納されているN回積算済みのデータ同士の積算を実行し、得られた積算値を第2のメモリに書き込む。この第2の加算部及び第2のメモリによってM=3回以上の積算を実行する場合には、該第2の加算部において加算される一方のデータはすでにこの加算部においてM−1回積算されたデータである。これによって、第2のメモリには、N×M回分のデータの積算値が格納される。そして、第2の加算部においてM回の積算を行ったあとに、データ転送部は、第2のメモリに格納されているN×M回積算済みのデータを測定データとして読み出し例えばデータ処理部へと転送する。第2の加算部と第2のメモリとによる積算は、第1の加算部と第1のメモリとによるN回の積算と並行して行われる。 Each time data is accumulated N times by the first adder and the first memory, the accumulated data is written to the second memory. Each time the N data integration is performed, the second adder performs integration of the data accumulated N times stored in the second memory, and obtains the obtained integrated value as a second value. Write to memory. In the case where M = 3 or more accumulations are executed by the second adder and the second memory, one data added in the second adder is already accumulated M−1 times in the adder. Data. As a result, the integrated value of the data for N × M times is stored in the second memory. Then, after performing M times of integration in the second addition unit, the data transfer unit reads the data accumulated N × M times stored in the second memory as measurement data, for example, to the data processing unit And forward. The integration by the second addition unit and the second memory is performed in parallel with the N integrations by the first addition unit and the first memory.
第1のメモリと第1の加算部とはいずれも1チップの集積回路に含まれるから、該第1の加算部と第1のメモリとによる積算は、第2のメモリに対するアクセスを全く行うことなく遂行される。一方、第2のメモリは上記集積回路とは別のDDR系SDRAMであるため、第1のメモリを用いた積算に比べて時間が掛かるものの、そのための第2のメモリのアクセスに要する時間は第1の加算部と第1のメモリとによるN回の積算が実行されている期間のうちの一部である。したがって、第1の加算部と第1のメモリとによるN回の積算が行われている期間中の一部では、第2のメモリはN回積算済みのデータ同士の加算のためのデータのアクセスに利用されるものの、それを除く期間には、第2のメモリから自由にデータを読み出して転送することが可能である。 Since both the first memory and the first adder are included in a one-chip integrated circuit, the integration by the first adder and the first memory performs access to the second memory at all. It is carried out without. On the other hand, since the second memory is a DDR SDRAM different from the integrated circuit, it takes more time than the integration using the first memory, but the time required for accessing the second memory for that is the first. This is a part of a period in which N times of accumulation by one adder and the first memory are executed. Therefore, in a part of the period in which the N additions are performed by the first addition unit and the first memory, the second memory accesses the data for adding the data already integrated N times. However, it is possible to freely read and transfer data from the second memory during the period other than that.
それによって、本発明に係るデータ収集装置では、積算が終了したデータをデータ処理部などへ転送する際にも、アナログ/デジタル変換器からのデータの読込み、つまりは測定を継続させることができ、測定の待ち時間を設ける必要がない。また、第1のメモリとしてSRAMを用いることで第1の加算部による加算処理の間のアイドル時間も必要なく、測定の繰り返し速度を上げることができる。さらにまた、集積回路の外部に設けるメモリは低廉な汎用のDDR系SDRAMでよいので、コストも十分に低く抑えることができる。 Thereby, in the data collection device according to the present invention, it is possible to continue reading the data from the analog / digital converter, that is, to continue the measurement even when transferring the accumulated data to the data processing unit or the like. There is no need to provide a measurement waiting time. Further, by using the SRAM as the first memory, the idle time during the addition processing by the first addition unit is not necessary, and the measurement repetition rate can be increased. Furthermore, since the memory provided outside the integrated circuit may be an inexpensive general-purpose DDR SDRAM, the cost can be sufficiently reduced.
なお、本発明に係るデータ収集装置では、積算した結果は第1のメモリ上の積算前のデータに上書きされるので、積算回数を増やしてもメモリの必要記憶容量が増えるわけではない。一方、積算するデータの量が多いほど第1のメモリの必要記憶容量は増大する。特に、集積回路に含まれる第1のメモリの記憶容量の増加はコスト増加の大きな要因となるから、コストを抑えるためには積算するデータの量は少ないほうが望ましい。したがって、本発明に係るデータ収集装置は、1回の測定によって得られるデータの量が比較的少なく、一つの測定データを得るために多くの回数の積算が必要であるような分析装置に好適である。この点で、上述したTOFMS(例えばLC−IT−TOFMS)は本発明に好適な分析装置であるといえる。 In the data collection device according to the present invention, the result of integration is overwritten on the data before integration in the first memory, so that the required storage capacity of the memory does not increase even if the number of integrations is increased. On the other hand, the required storage capacity of the first memory increases as the amount of data to be integrated increases. In particular, since the increase in the storage capacity of the first memory included in the integrated circuit is a major factor in increasing the cost, it is desirable that the amount of data to be integrated is small in order to reduce the cost. Therefore, the data collection apparatus according to the present invention is suitable for an analysis apparatus in which the amount of data obtained by one measurement is relatively small and a large number of times of integration are required to obtain one measurement data. is there. In this respect, the above-described TOFMS (for example, LC-IT-TOFMS) can be said to be an analysis apparatus suitable for the present invention.
本発明に係るデータ収集装置によれば、加算処理と次の加算処理との間のアイドル時間や積算済みデータの転送のための時間を設ける必要がないので、実質的に測定の待ち時間を設ける必要がない。また、一部の積算に低速なDDR系SDRAMを用いているものの、それに合わせて測定の繰り返し速度を落とす必要もなく、高速に且つ測定の待ち時間なく繰り返し測定を行うことができる。そのため、分析のスループットを向上させることができる。また、FPGAなどの集積回路に設ける内部メモリの記憶容量を抑え、その代わりに低廉なDDR系SDRAMを用いればよいので、コストを十分に低く抑えることができる。 According to the data collection device of the present invention, it is not necessary to provide an idle time between the addition process and the next addition process or a time for transferring the accumulated data, so that a waiting time for measurement is substantially provided. There is no need. In addition, although a low-speed DDR SDRAM is used for a part of integration, it is not necessary to reduce the measurement repetition rate accordingly, and repeated measurement can be performed at high speed and without waiting time for measurement. Therefore, the analysis throughput can be improved. Further, since the storage capacity of an internal memory provided in an integrated circuit such as an FPGA can be suppressed, and an inexpensive DDR SDRAM can be used instead, the cost can be sufficiently reduced.
以下、本発明に係るデータ収集装置の一実施例について、添付図面を参照して説明する。
図1は本実施例によるデータ収集装置のブロック構成図、図2は本実施例のデータ収集装置における積算処理の概念図、図3は本実施例のデータ収集装置における処理のタイミング図、図4は図1中のDDR3−SDRAMのメモリ領域を示す概念図、である。
Hereinafter, an embodiment of a data collection device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
1 is a block diagram of a data collection device according to the present embodiment, FIG. 2 is a conceptual diagram of integration processing in the data collection device of the present embodiment, FIG. 3 is a timing diagram of processing in the data collection device of the present embodiment, and FIG. FIG. 2 is a conceptual diagram showing a memory area of a DDR3-SDRAM in FIG. 1;
本実施例のデータ収集装置では、図示しない液体クロマトグラフ−イオントラップ飛行時間型質量分析装置(LC−IT−TOFMS)の検出器で得られたアナログ検出信号がADC43に入力され、ADC43でデジタル値に変換されたデータ(AD値)がFPGA1に入力される。FPGA1には外部メモリとしてDDR3−SDRAM2が接続されている。FPGA1は、ADC値取込部10と、32回積算部11と、内部SRAM121、データ転送部122などを含むI/Fバッファ部12と、並列積算部13と、DDRコントローラ14と、を機能ブロックとして含む。
In the data collection device of this embodiment, an analog detection signal obtained by a detector of a liquid chromatograph-ion trap time-of-flight mass spectrometer (LC-IT-TOFMS) (not shown) is input to the
図1〜図3により、本実施例のデータ収集装置における積算処理を伴うデータ収集動作を概略的に説明する。これは、本発明に係るデータ収集装置においてN=32、M=2としたときの動作の一例である。
図示しないLC−IT−TOFMSでは、1回の測定(イオントラップからの1回のイオン射出に対するTOFMSでの所定飛行時間範囲のイオン強度の測定)によって、図2に示すような飛行時間スペクトルを構成するデータが得られる。測定の繰り返しによって、所定時間範囲の飛行時間スペクトルデータが次々に得られ、こうしたデータがFPGA1のADC値取込部10に順次入力される。
A data collection operation accompanied by an integration process in the data collection apparatus of this embodiment will be schematically described with reference to FIGS. This is an example of the operation when N = 32 and M = 2 in the data collection device according to the present invention.
In LC-IT-TOFMS (not shown), a time-of-flight spectrum as shown in FIG. 2 is formed by one measurement (measurement of ion intensity in a predetermined time-of-flight range by TOFMS for one ion ejection from the ion trap). Data to be obtained. By repeating the measurement, time-of-flight spectrum data in a predetermined time range is obtained one after another, and such data is sequentially input to the ADC
1回の測定が行われる毎に、FPGA1において32回積算部11は内部SRAM121を利用して、順次与えられる飛行時間スペクトルデータを飛行時間毎に加算する操作を行い、これを連続するN=32回の測定(例えば図3(a)中の「1−32 #1」)に対して繰り返す。これによって、32回分の測定で得られた飛行時間スペクトルデータを積算したデータが得られる。具体的には、32回積算部11は1回の測定に対する新たな飛行時間スペクトルデータを受け取ると、内部SRAM121の所定の記憶領域から積算途中のデータ(31回以下の積算中データ)を読み出し、飛行時間毎にイオン強度を加算して求めたデータを、内部SRAM121の上記所定の記憶領域に書き込む。これにより、積算途中のデータは上書きされ、その値は更新される。これを32回繰り返すことで、32回の連続的な測定に対する積算済みデータが得られる。
Every time one measurement is performed, the 32
この32回分の積算済みデータが得られる毎に、該データをDDRコントローラ14を介して外部のDDR3−SDRAM2の所定の記憶領域に書き込む(図3(c)参照)。一方、DDR3−SDRAM2へのデータの書き込みと並行して、内部SRAM121の所定の記憶領域をクリアする。これによって、32回積算部11は内部SRAM121と協働して、次の32回の連続的な測定に対するデータの積算を行うことができる。
Each time the accumulated data for 32 times is obtained, the data is written into a predetermined storage area of the external DDR3-
同様にして次の32回の連続的な測定(例えば図3(b)中の「33−64 #1」)に対する飛行時間スペクトルデータの積算が行われると、そのデータがDDRコントローラ14を介してDDR3−SDRAM2の上記所定の記憶領域とは別の記憶領域に書き込まれる。32回積算部11及び内部SRAM121では引き続き次の32回の連続的な測定(例えば図3(b)中の「1−32 #2」)に対するデータ積算が実施されるが、それと並行して、並列積算部13はDDRコントローラ14を介してDDR3−SDRAM2から二つの32回積算データ(「1−32 #1」の連続的な測定に対する積算データ及び「33−64 #1」の連続的な測定に対する積算データ)を読み出し、それら二つのデータについて飛行時間毎にイオン強度を加算することで、64回分の測定に対する積算データを算出する。そして、その積算データをDDR3−SDRAM2のさらに別の記憶領域に書き込む。
Similarly, when the time-of-flight spectrum data is integrated for the next 32 consecutive measurements (for example, “33-64 # 1” in FIG. 3B), the data is transmitted via the
内部SRAM121とは異なり、DDR3−SDRAM2のデータ読出し、書込みには時間が掛かるため、後述するように、DDR3−SDRAM2から積算データを読み出し、そのあと積算したデータを書き込むまでに、最大で10回分の測定に相当するだけの時間を要する(図3(d)参照)。それでも、32回の連続的な測定に対応する期間のうち10回分の測定に対応する時間をDDR3−SDRAM2を用いたデータ積算に充てればよいから、残りの22回の連続的な測定に相当する時間がDDR3−SDRAM2へのアクセスに利用可能である。そこで、データ転送部122はこの期間中に、DDR3−SDRAM2から64回分の測定に対する積算データを読み出し、これを例えばパーソナルコンピュータにより具現化されるデータ処理部へと転送する(図3(e)参照)。
Unlike the
以上のようにして、本実施例のデータ収集装置では、32回積算部11と内部SRAM121とによるデータ積算と、並列積算部13とDDR3−SDRAM2とによるデータ積算とを並行して行うことで、64回の連続的な測定に対する積算データを64回の測定を実施する期間中に求めるともに、十分に余裕をもった期間中にその積算データをデータ処理部へと転送することができる。
As described above, in the data collection device of the present embodiment, by performing the data integration by the 32-
次に、本実施例のデータ収集装置におけるより具体的な素子を想定した構成例を説明する。
TOFMSにおいて高い質量分解能を実現するには、ADC43におけるサンプリング周波数を高くする必要がある。そこで、ADC43としては、ビット数が10ビット、サンプリング周波数が5GHzである素子を使用する。また、FPGA1のシステムクロック周波数を250MHzとする。DDR系SDRAM2としては、800MHz対応で記憶容量が1GbitsであるDDR3−SDRAMを4個用い、データビット幅が64ビット、バースト長(BL)が128(1024アドレス)、1回の測定の所要時間が100μsecであるとする。また、上述したように、FPGA1内部でのメモリアクセスによる積算回数Nは32回、DDR系SDRAM2のアクセスによる積算回数Mは2回とし、全積算回数を32×2=64回とする。FPGA1内部でのメモリアクセスによる積算回数が32回であることを考慮して、1サンプル当たり5ビットのビット長の余裕を確保すると、積算に必要なFPGA1内部のメモリ、つまり内部SRAM121の記憶容量は、[サンプリング周波数]×[測定の所要時間]×[ビット長]=(5×109)×(100×10-6)×(10+5)=7.5×106=7.5[Mbits]と計算できる。
Next, a configuration example assuming a more specific element in the data collection device of the present embodiment will be described.
In order to achieve high mass resolution in TOFMS, it is necessary to increase the sampling frequency in the
ADC43のサンプリング周波数が5GHz、FPGA1のシステムクロック周波数は250MHzであるので、ADC43で変換されたデータをFPGA1の内部SRAM121に取り込むには、5G/250M=20以上の並列なメモリ幅が必要である。1サンプルのビット数は10ビットであるから、20×10=200[bits]以上のメモリ幅が必要である。ただし、上述したように1サンプル当たり5ビットの余裕を見込むとすると、20×(10+5)=300[bits]以上のメモリ幅が必要である。周知のようにメモリ構成を容易にするには2のべき乗が望ましいから、ここでは、32並列で各ビット幅を16ビットとする。そこで、内部SRAM121は8Mbitsのメモリ容量とする。また、内部SRAM121のアクセスレートは16×5G=80[Gbps]である。
Since the sampling frequency of the
DDR3−SDRAM2のバースト長が128であるとき、一般に、実効アクセス効率はFPGAのIP(Intellectual Property)コアをデフォルトの設定で使用すると85%程度である。そこで、ここでは最大限の余裕を考慮して実効アクセス効率が80%であると見積もる。DDR3−SDRAM2に対するアクセスは、1回の積算処理において、今回値の読み出し、前回値の読み出し、及び、前回値と今回値とを加算した結果の書き込み、の合計3回である。実効アクセス効率が上述のように80%である場合、DDR3−SDRAM2の実効アクセスレートは、ダブルレートでデータビット幅が64ビットであることから、800M[Hz]×2×64×0.8=81.9[Gbps]となる。
When the burst length of the DDR3-
内部SRAM121を用いて積算を行う場合、該SRAMはデュアルポートであるので書き込み動作と読み出し動作とを同時に行うことができ、しかも、処理遅延(レイテンシ)が非常に小さいため、ADC43からのデータの取り込みとほぼ同時に積算処理を行うことができる。一方、外部のDDR3−SDRAM2を用いた積算の場合、書き込み動作と読み出し動作とを同時に行うことができず、32回積算処理済みのアドレス領域からのデータ読み出し動作、全積算処理済みのアドレス領域からのデータ読み出し動作、FPGA1の並列積算部13での積算後の全積算処理済みアドレス領域へのデータの書き込み動作、という3倍の処理時間が必要となる。また、それぞれレイテンシが長いため、実際にはさらに長い処理時間が必要である。
When integration is performed using the
このため、DDR3−SDRAM2にアクセスすることによる積算処理に要する時間は、内部SRAM121にアクセスすることによる積算処理の所要時間の4倍程度必要である。また、DDR3−SDRAM2にアクセスすることによる積算は全積算回数を増やしたい場合に有効であり、特に1回の測定でのイオン強度が低い場合には、積算回数を増やす必要が生じることが想定される。そこで、積算回数が増した場合でも対応できるようにしようとすると、1アドレス4データ(1データは最大16ビット)ではなく1アドレス2データ(1データは最大32ビット)で読み書きを行うほうが制御は容易である。こうしたことから、DDR3−SDRAM2にアクセスすることによる積算処理に要する時間は内部SRAM121にアクセスすることによる積算処理の所要時間の8倍程度必要となると考えられる。そこで、ここではさらに余裕をみて、DDR3−SDRAM2にアクセスすることによる積算処理に要する時間が内部SRAM121にアクセスすることによる積算処理の所要時間の最大10倍になると見込んでいる。
For this reason, the time required for the integration process by accessing the DDR3-
こうした想定の下でも、本実施例のデータ収集装置では、上述したように、DDR3−SDRAM2において積算のための処理が行われずに空いている、32回の測定期間のうちの22回の測定期間中に、DDR3−SDRAM2から全積算データを読み出して転送すればよい。
Even under such assumptions, in the data collection device of the present embodiment, as described above, 22 measurement periods out of 32 measurement periods that are vacant without being subjected to integration processing in the DDR3-
図4は、上述したような積算動作に使用されるDDR3−SDRAM2のメモリ領域を示す概念図である。図4は1Gbitsの1個のメモリのメモリ領域であり、これが4個存在する。上述したようにメモリ幅を64ビットとすると、1個のメモリの縦方向には16Mのアドレス領域が形成される。このうち、4Mのアドレス領域を32回の測定に対するデータを積算して得られたデータの一時格納領域としている。上述したように、内部SRAM121を用いて32回の積算で得られたデータを格納するアドレス領域は1アドレスで4データ格納としている一方、32回積算値をさらに積算することで得られるデータを格納するアドレス領域は1アドレスで2データ格納としており、これに対応するようにアドレス領域を割り当てている。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a memory area of DDR3-
もちろん、上述したメモリの使用方法は一例であり、これ以外の適宜の方法でも上述したような積算処理を伴ったデータ収集を実現できることは言うまでもない。 Of course, the above-described method of using the memory is merely an example, and it is needless to say that data collection with the integration processing as described above can be realized by any other appropriate method.
また、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。 Moreover, the said Example is an example of this invention, and it is clear that even if it changes suitably, amends, and is added within the meaning of this invention, it is included by the claim of this application.
例えば、上記実施例ではN=32、M=2としていたが、これはそれぞれ2以上の任意の値とすることができる。ただし、上記説明から明らかなように、Nの数が小さくなるほどDDR3−SDARMに格納されている積算済みのデータを転送するための時間的な余裕が短くなるし、Nが或る値(上記例では10程度)よりも小さくなると、内部SRAMを用いたデータ積算の一つのサイクル中にDDR3−SDARMを用いた1回のデータ積算が終了しなくなるおそれがある。そうなると、測定の待ち時間を設ける必要が生じるため、Nを或る値以下にすることは実質的に意味がない。 For example, in the above embodiment, N = 32 and M = 2, but this can be any value of 2 or more. However, as is clear from the above description, the smaller the number of N, the shorter the time margin for transferring accumulated data stored in the DDR3-SDARM, and N is a certain value (the above example) If it is smaller than about 10), one data integration using DDR3-SDARM may not be completed during one cycle of data integration using the internal SRAM. In that case, since it is necessary to provide a waiting time for measurement, it is substantially meaningless to set N to a certain value or less.
1…FPGA
10…ADC値取込部
11…32回積算部
12…I/Fバッファ部
13…並列積算部
14…DDRコントローラ
2…DDR3−SDRAM
43…アナログ/デジタル変換器
1 ... FPGA
DESCRIPTION OF
43. Analog / digital converter
Claims (2)
a)積算途中のデータを一時的に格納するための第1のメモリと、
b)前記第1のメモリに格納されている積算途中のデータを読み出して該データと1回の測定に対して新たに得られたデータとを加算し、それにより得られたデータを前記第1のメモリに書き込む、という動作を繰り返すことで、N回(Nは2以上の整数)積算されたデータを取得する第1の加算部と、
c)前記第1のメモリ及び前記第1の加算部によってN回積算されたあとのデータを格納するための第2のメモリと、
d)前記第2のメモリに格納されているN回積算済みであるデータと、その直前に格納されたN回積算済みであるデータ又はN回積算済みデータをさらにM−1回(Mは2以上の整数)積算したデータとを読み出してそれらデータ同士を加算し、その加算されたデータを前記第2のメモリに書き込む、という動作をM回(Mは2以上の整数)繰り返すことで、N×M回積算されたデータを取得する第2の加算部と、
e)前記第2のメモリに格納されているN×M回積算済みであるデータを読み出して外部へと転送するデータ転送部と、
を備え、前記第2のメモリとしてDDR系SDRAMを用い、前記第1のメモリ、前記第1の加算部、前記第2の加算部、及び前記データ転送部を1チップの集積回路に含むようにしたことを特徴とするデータ収集装置。 In a data collection device that collects measurement data by repeatedly performing an operation of accumulating data obtained by repeated measurement of a predetermined number of times and acquiring one measurement data,
a) a first memory for temporarily storing data during integration;
b) Reading data in the middle of accumulation stored in the first memory, adding the data and newly obtained data for one measurement, and obtaining the obtained data as the first data A first addition unit that acquires data accumulated N times (N is an integer of 2 or more) by repeating the operation of writing to the memory of
c) a second memory for storing data after being multiplied N times by the first memory and the first adder;
d) The data stored in the second memory that has been integrated N times and the data that has been stored N times or the data that has been integrated N times immediately before are stored M−1 times (M is 2). By repeating the operation of reading out the integrated data) and adding the data together and writing the added data in the second memory M times (M is an integer of 2 or more), N A second adder for acquiring data accumulated × M times;
e) a data transfer unit that reads the data accumulated in N × M times stored in the second memory and transfers the data to the outside;
DDR SDRAM is used as the second memory, and the first memory, the first adder, the second adder, and the data transfer unit are included in a one-chip integrated circuit. A data collection device characterized by that.
前記1チップの集積回路はフィールドプログラマブルゲートアレー(FPGA)であることを特徴とするデータ収集装置。 The data collection device according to claim 1,
The data collecting apparatus according to claim 1, wherein the one-chip integrated circuit is a field programmable gate array (FPGA).
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