基于FPGA和PCIe的高速数据采集与存储系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA和PCIe的高速数据采集与存储系统，包括AD采集模块、信号预处理模块、双口RAM、PCIe数据传输模块、固态磁盘阵列、自检模块、电源模块、串口控制模块和时钟模块；AD采集模块用于采集信号数据，信号预处理模块对AD采集的数据进行预处理；PCIe数据传输模块用于把FPGA处理过的数据存储至固态磁盘阵列；自检模块用于对存储至固态磁盘阵列的数据进行快速傅里叶变换，判断系统工作是否正常。本发明专利技术能够以最高3.6GHz的超高采样速率采集数据，通过对数据进行预处理、完成截位、有选择性的存储以及添加数据标识符，实现实时的数据传输。

High speed data acquisition and storage system based on FPGA and PCIe

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA和PCIe的高速数据采集与存储系统
本专利技术涉及一种数据采集与存储系统，特别是一种基于FPGA和PCIe的高速数据采集与存储系统。
技术介绍
随着信息技术高速的发展，数据处理的吞吐量越来越大，对高速实时性的要求也越来越高，因此数据的高速采集和实时存储技术在数字信号处理中显得越来越重要。评估一个数据采集与存储系统的质量，主要考虑处理数据的速度和储存容量。在保证稳定性的条件下，尽可能提高数据读写速率和储存容量，满足现代工业和科学研究对系统速度与容量的要求。高速数据采集对信号完整性、信号干扰、高速PCB布线及数据处理和高速实时存储要求极高，而其应用环境又往往非常复杂，在目前的实际应用中，很难找到一种既能进行高速数据采集、又能大容量存储的数据采集系统，以保证能够进行长时间的高速数据采集。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于FPGA和PCIe的高速数据采集与存储系统。实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于FPGA和PCIe的高速数据采集与存储系统，包括AD采集模块、信号预处理模块、双口RAM、PCIe数据传输模块、固态磁盘阵列、自检模块、电源模块、串口控制模块和时钟模块；所述AD采集模块用于采集输入信号；所述信号预处理模块用于对AD采集的输入信号进行数字下变频处理和下采样处理，然后将预处理后的数据存储到双口RAM中；所述PCIe数据传输模块用于将信号预处理模块预处理后的数据传输并存储至固态磁盘阵列中；所述固态磁盘阵列用于存储信号预处理模块预处理后的数据；所述自检模块用于对存储至固态磁盘阵列的数据进行快速傅里叶变换，根据变换后峰值位置判断采集与存储系统工作是否正常，如不正常则停止采集；所述电源模块为高速数据采集与存储系统供电；所述串口控制模块用于高速数据采集与存储系统和外部PC机的实时通信，完成系统参数设置；系统参数包括信号存储比例与区间和信号幅度；所述时钟模块用于向AD采集模块、信号预处理模块、PCIe数据传输模块和串口控制模块提供工作时钟。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)本专利技术通过高速ADC、LVDS传输、降速处理和PCIe3.0接口能够实现3.6GHz的超高速率采集并存储数据；(2)本专利技术可以对采集的数据根据设置进行灵活的截位，对应不同的信号幅度；(3)本专利技术可以对采集的数据根据设置进行有选择性的存储，以便节省数据传输带宽；(4)本专利技术可以对采集的数据插入数据标识符；(5)本专利技术可以对采集的数据进行自我检查，从而判断系统的工作性能。附图说明图1是本专利技术基于FPGA和PCIe的高速数据采集与存储系统的结构框图。图2是图1所示系统中时钟模块的结构框图。图3是图1所示系统中复位模块的结构框图。图4是图1所示系统中AD采集模块的结构框图。图5是图1所示系统中信号预处理模块的结构框图。图6是图1所示系统中PCIe数据传输模块的结构框图。具体实施方式结合图1，本专利技术的一种基于FPGA和PCIe的高速数据采集与存储系统，包括AD采集模块、信号预处理模块、双口RAM、PCIe数据传输模块、固态磁盘阵列、自检模块、电源模块、串口控制模块和时钟模块；所述AD采集模块用于采集输入信号；所述信号预处理模块用于对AD采集的输入信号进行数字下变频处理和下采样处理，然后将预处理后的数据存储到双口RAM中；所述PCIe数据传输模块用于将信号预处理模块预处理后的数据传输并存储至固态磁盘阵列中；所述固态磁盘阵列用于存储信号预处理模块预处理后的数据；所述自检模块用于对存储至固态磁盘阵列的数据进行快速傅里叶变换，根据变换后峰值位置判断采集与存储系统工作是否正常，如不正常则停止采集；所述电源模块为高速数据采集与存储系统供电；所述串口控制模块用于高速数据采集与存储系统和PC机的实时通信，完成系统参数设置；系统参数包括信号存储比例与区间和信号幅度；所述时钟模块用于向AD采集模块、信号预处理模块、PCIe数据传输模块和串口控制模块提供工作时钟。进一步的，所述AD采集模块包括：AD芯片，用于采集输入信号；AD配置模块，根据用户需求选择AD芯片的工作模式；数据采集模块，将AD芯片采集到的输入信号通过ISERDES原语进行降速处理。进一步的，所述信号预处理模块包括：信号幅度控制模块，用于对预处理后的数据进行数据截位，控制信号的幅度；数据存储选择模块，用于控制存储数据的比例和区间；标识符插入模块，用于在缓存的数据块前插入标识符；数据缓存模块，用于预处理数据的缓存，控制两片双口RAM，使用乒乓结构，实现流水式操作。进一步的，所述PCIe数据传输模块用于将信号预处理模块预处理后的数据通过PCIe3.0接口传输至外部PC机并存储至固态磁盘阵列中。进一步的，所述时钟模块包括：时钟芯片，用于产生稳定时钟；时钟芯片配置模块，用于配置时钟芯片的工作模式；复位模块，用于时钟芯片配置模块产生稳定时钟后使能AD采集模块、信号预处理模块、PCIe数据传输模块和串口控制模块。下面结合附图和具体实施例进一步阐明本专利技术。实施例结合图1，本实施例的一种基于FPGA和PCIe的高速数据采集与存储系统，包括AD采集模块、自检模块、信号预处理模块、双口RAM、PCIe数据传输模块、固态磁盘阵列、电源模块、串口控制模块和时钟模块；所述AD采集模块用于采集信号数据，以最高3.6GHz的采样速率8-bit位宽采集接收到的回波信号，并将数据传送至FPGA进行预处理；所述信号预处理模块对AD采集的信号进行预处理操作，并将预处理后的数据缓存至双口RAM；所述PCIe数据传输模块用于将缓存单元的数据通过PCIe3.0接口传输至PC机并存储在PC机的固态磁盘阵列里，以便用于后续的信号处理；所述固态磁盘阵列用于存储信号预处理模块预处理后的数据；所述自检模块用于对存储至固态磁盘阵列的数据进行快速傅里叶变换，根据变换后峰值位置判断采集与存储系统工作是否正常，如不正常则停止采集；所述电源模块用于为采集与存储系统供电；所述串口控制模块用于PCIE数据传输模块与外部设备的实时通信；所述时钟模块用于向AD采集模块、PCIE数据传输模块和串口控制模块提供工作时钟。结合图2、3，所述时钟模块包括：时钟芯片SI5344及ADF4351的配置模块，根据要求产生最高3.6GHz的时钟；复位模块，用于时钟芯片配置结束后使能AD采集模块、信号预处理模块、PCIe数据传输模块和串口控制模块。时钟模块的工作方式如下：S11，系统板卡的晶振提供一个14.7456MHz的时钟信号送给FPGA全局时钟管脚；S12，FPGA将该时钟接入芯片内部的全局时钟缓冲器以增加该时钟的驱动能力；然后将该时钟做为SPI总线上的驱动时钟，用于配置SI5344时钟芯片、AD芯片的工作模式；S13，时钟芯片SI5344被配置好工作模式后，将外部输入的参考时钟信号做为输入信号，通过芯片内部的倍频和分频器，分别输出两个不同频率的时钟信号：输出的200MHz时钟信号给芯片ADF4351；输出的60MHz信号给FPGA的时钟管理模块，FPGA将DCM倍频或分频的输出用于FPGA内部电路的工作时钟；参考时钟信号是由微波单元提供的100MHz参考信号；S14，ADF4351芯片将输入的200MHz时钟倍频至最高3.6GHz，送给AD芯片当作采样工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA和PCIe的高速数据采集与存储系统，其特征在于，包括AD采集模块、信号预处理模块、双口RAM、PCIe数据传输模块、固态磁盘阵列、自检模块、电源模块、串口控制模块和时钟模块；所述AD采集模块用于采集输入信号；所述信号预处理模块用于对AD采集的输入信号进行数字下变频处理和下采样处理，然后将预处理后的数据存储到双口RAM中；所述PCIe数据传输模块用于将信号预处理模块预处理后的数据传输并存储至固态磁盘阵列中；所述固态磁盘阵列用于存储信号预处理模块预处理后的数据；所述自检模块用于对存储至固态磁盘阵列的数据进行快速傅里叶变换，根据变换后峰值位置判断采集与存储系统工作是否正常，如不正常则停止采集；所述电源模块为高速数据采集与存储系统供电；所述串口控制模块用于高速数据采集与存储系统和外部PC机的实时通信，完成系统参数设置；系统参数包括信号存储比例与区间和信号幅度；所述时钟模块用于向AD采集模块、信号预处理模块、PCIe数据传输模块和串口控制模块提供工作时钟。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA和PCIe的高速数据采集与存储系统，其特征在于，包括AD采集模块、信号预处理模块、双口RAM、PCIe数据传输模块、固态磁盘阵列、自检模块、电源模块、串口控制模块和时钟模块；所述AD采集模块用于采集输入信号；所述信号预处理模块用于对AD采集的输入信号进行数字下变频处理和下采样处理，然后将预处理后的数据存储到双口RAM中；所述PCIe数据传输模块用于将信号预处理模块预处理后的数据传输并存储至固态磁盘阵列中；所述固态磁盘阵列用于存储信号预处理模块预处理后的数据；所述自检模块用于对存储至固态磁盘阵列的数据进行快速傅里叶变换，根据变换后峰值位置判断采集与存储系统工作是否正常，如不正常则停止采集；所述电源模块为高速数据采集与存储系统供电；所述串口控制模块用于高速数据采集与存储系统和外部PC机的实时通信，完成系统参数设置；系统参数包括信号存储比例与区间和信号幅度；所述时钟模块用于向AD采集模块、信号预处理模块、PCIe数据传输模块和串口控制模块提供工作时钟。2.根据权利要求1所述的基于FPGA和PCIe的高速数据采集与存储系统，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏梦月，黄海波，马超，杨建超，史小斌，顾红，苏卫民，陆锦辉，曹鑫泉，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32