超多通道全同步数据采集系统技术方案

超多通道全同步数据采集系统,属于信号采集领域，具体涉及多通道动态信号采集相关的测试任务。解决了现有技术中单一数据采集设备内的多路通道数据采集以及多个数据采集设备间的数据采集同步精度低的问题。本发明专利技术通过不同数据采集卡之间的所有采集通道上的时钟信号和采样触发信号同步，从而实现不同数据采集卡之间所有通道的数据采集同步及同一数据采集卡上所有通道数据采集同步，从而提高数据采集同步精度。本发明专利技术主要用于对电神经信号数据、风洞传感器数据、以及麦克风阵列数据等的采集。

Ultra multi channel full synchronous data acquisition system

The ultra multi-channel full synchronous data acquisition system belongs to the field of signal acquisition, and specifically relates to the test tasks related to multi-channel dynamic signal acquisition. It solves the problems of multi-channel data acquisition in a single data acquisition device and low synchronization accuracy of data acquisition among multiple data acquisition devices. The invention realizes data acquisition synchronization of all channels between different data acquisition cards and data acquisition synchronization of all channels on the same data acquisition card by synchronizing clock signals and sampling trigger signals on all acquisition channels between different data acquisition cards, so as to improve data acquisition synchronization accuracy. The invention is mainly used for collecting electric nerve signal data, wind tunnel sensor data, microphone array data, etc.

【技术实现步骤摘要】
超多通道全同步数据采集系统
本专利技术属于信号采集领域，具体涉及多通道动态信号采集相关的测试任务，如电神经信号数据采集、风洞传感器数据采集、以及麦克风阵列数据采集。
技术介绍
无论是自然科学的发展还是工程项目的应用，都离不开对各种物理量的精密测量。随着科学技术的进步和所涉及领域的扩展，新环境下的测试任务变得复杂和多样，也使得在许多特殊的应用中需要针对性更强的专用化测试设备。本专利所提出的超多通道全同步数据采集系统便可归于此类设备。其特点在于具有几十甚至上百个数据输入通道，并且能够完全保证所有通道之间高精度的同步。同步采集是指不同的输入通道在同一时刻进行采样。在设计系统时，考虑定时和同步需求是很重要的。假如各个传感器的数据不同步，便会降低测试数据之间的相关性；并且随着测试时间的增加，误差也会随之累加；此外，时钟的漂移也可能导致系统获得不同数量的样本，带来极大的困难和不确定性，不利于后续的数据整合分析。多多通道同步数据采集系统在许多科研与工程领域的测试中具有广泛的应用价值，例如在麦克风采集阵列、电力系统、微波通信、无线传感网络、光学成像、相控阵雷达阵列、半导体测试、以及地震波检测与地震层析成像等工程领域的应用。在这些测试任务中，为了数据后续的整合分析，无一例外地均要求对多个被测信号进行同步采集，以保证数据在时间上高度的相关性。因此，测试设备的在不同数据通道之间同步精度，直接影响目标任务的测试精度。现有的多通道同步数据采集设备普遍具有以下缺点与不足：首先，数据采集通道数量不足，多数不超过32个，不能满足某些具有特殊要求的测试测量任务；其次，多数系统只能保证在单一数据采集设备上各通道同步，当目标通道数过多，需要多个数据采集设备共同工作时，由于晶体振荡器时钟的微小差别，不同设备之间的同步精度一直不高，一般都无法低于1ns；最后，多通道数据采集设备的专用性比较强，普遍存在开发与维护难度大、费用高昂、兼容性差以及容易被淘汰等缺点。因此，以上问题亟需解决。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有技术中单一数据采集设备内的多路通道数据采集以及多个数据采集设备间的数据采集同步精度低的问题，本专利技术提供了一种超多通道全同步数据采集系统。超多通道全同步数据采集系统，包括PXIe背板、PXIe控制器和n个PXIe数据采集卡；PXIe控制器插在PXIe背板上的系统槽内，任意一个PXIe数据采集卡作为主卡插在PXIe背板上的系统定时槽内，剩余n-1个数据采集卡均作为从卡分别插在PXIe背板上的n-1个混合插槽或n-1个PXIe插槽内，n为大于2的整数；通过PXIe背板中的通信总线，实现PXIe控制器与主卡间的数据通信；通过PXIe背板中的定时触发总线，实现对主卡和所有从卡同时发送触发信号、以及实现对主卡和所有从卡同时发送时钟信号；采集系统通过控制主卡和所有从卡上的所有采集通道接收的触发信号同步，另外，还通过主卡和所有从卡对接收的相应时钟信号进行相位调整，使得主卡和所有从卡上的所有采集通道时钟同步，最终实现所有PXIe数据采集卡卡间数据采集同步和任意一个PXIe数据采集卡上的所有采集通道数据采集同步。优选的是，主卡包括一个主FPGA和m个主ADC；每个从卡包括一个从FPGA和m个从ADC；m为大于2的整数；主ADC和所有从ADC上均具有多个采集通道；主ADC和所有从ADC均通过其上的采集通道进行数据采集，并对采集的数据进行模数转化；(一)所述的采集系统通过控制主卡和所有从卡上的所有采集通道接收的触发信号同步的具体过程为：PXIe控制器发出的触发控制命令通过通信总线发送至主FPGA中，主FPGA根据接收的触发控制命令，生成背板触发控制信号，并将该背板触发控制信号发送至定时触发总线上，定时触发总线根据接收的背板触发控制信号同时向主卡上的主FPGA和所有从卡上的从FPGA发送触发信号；主卡上的主FPGA根据接收的触发信号，向其主卡上的m个主ADC发送m路同步的触发信号SYNC_IN；每个从卡上的FPGA根据接收的触发信号，向其所在从卡上的m个从ADC发送m路同步的触发信号SYNC_IN；最终，使得主卡上的所有主ADC和每个从卡上的所有从ADC接收的触发信号SYNC_IN同步，从而实现主卡和所有从卡上的所有采集通道接收的触发信号同步，进而使得主卡和所有从卡上的所有采集通道同时采样；(二)所述通过主卡和所有从卡对接收的相应时钟信号进行相位调整，使得主卡和所有从卡上的所有采集通道时钟同步的具体过程为：PXIe背板中的定时触发总线向主卡上的主FPGA和所有从卡上的从FPGA同时发送时钟信号；主卡上的主FPGA和所有从卡上的从FPGA均对接收的时钟信号进行相位调整，使得主卡上的主FPGA和所有从卡上的从FPGA输出的时钟信号MCLK同步，并将主卡上的主FPGA输出的时钟信号MCLK同时发送至其主卡上的m个主ADC中，将每个从卡上的从FPGA输出的时钟信号MCLK同时发送至其所在从卡上的m个从ADC中；最终，使得主卡上的所有主ADC和每个从卡上的所有从ADC接收的时钟信号同步，从而实现主卡和所有从卡上的所有采集通道时钟同步。优选的是，主FPGA包括主定时触发总线接口、主PCIe接口、主PLL控制器和主同步控制器；主定时触发总线接口和主PCIe接口均通过片内互联总线同时与主PLL控制器和主同步控制器连接；主PCIe接口，用于接收通信总线下传的触发控制命令，并将该触发控制命令通过片内互联总线写入主PLL控制器；主PLL控制器，用于根据写入的触发控制命令，通过主定时触发总线接口发出背板触发控制信号至定时触发总线；定时触发总线，根据接收的背板触发控制信号生成触发信号，并将该触发信号进行下传；定时触发总线，还用于下传时钟信号；主定时触发总线接口，用于接收定时触发总线下传的触发信号和时钟信号；还用于将接收的触发信号通过片内互联总线发送至主同步控制器；还用于将接收的时钟信号发送至主PLL控制器；主同步控制器，还用于根据接收的触发信号生成触发信号SYNC_IN，并将触发信号SYNC_IN同时发送至m个主ADC；主PLL控制器，还用于对接收的时钟信号进行相位调整，调整后的时钟信号MCLK同时发送至m个主ADC。优选的是，每个从FPGA包括从定时触发总线接口、从PLL控制器和从同步控制器；从定时触发总线接口，用于接收定时触发总线下传的触发信号和时钟信号；还用于将接收的触发信号通过片内互联总线发送至从同步控制器；还用于将接收的时钟信号发送至从PLL控制器；从同步控制器，还用于根据接收的触发信号生成触发信号SYNC_IN，并将触发信号SYNC_IN同时发送至所在的从卡上的m个从ADC；从PLL控制器，还用于对接收的时钟信号进行相位调整，调整后的时钟信号MCLK同时发送至所在的从卡上的m个从ADC。优选的是，主卡上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.超多通道全同步数据采集系统，包括PXIe背板(1)、PXIe控制器(2)和n个PXIe数据采集卡(3)；/nPXIe控制器(2)插在PXIe背板(1)上的系统槽内，任意一个PXIe数据采集卡(3)作为主卡插在PXIe背板(1)上的系统定时槽内，剩余n-1个数据采集卡均作为从卡分别插在PXIe背板(1)上的n-1个混合插槽或n-1个PXIe插槽内，n为大于2的整数；/n通过PXIe背板(1)中的通信总线(1-1)，实现PXIe控制器(2)与主卡间的数据通信；/n通过PXIe背板(1)中的定时触发总线(1-2)，实现对主卡和所有从卡同时发送触发信号、以及实现对主卡和所有从卡同时发送时钟信号；/n其特征在于，采集系统通过控制主卡和所有从卡上的所有采集通道接收的触发信号同步，另外，还通过主卡和所有从卡对接收的相应时钟信号进行相位调整，使得主卡和所有从卡上的所有采集通道时钟同步，最终实现所有PXIe数据采集卡(3)卡间数据采集同步和任意一个PXIe数据采集卡(3)上的所有采集通道数据采集同步。/n

【技术特征摘要】
1.超多通道全同步数据采集系统，包括PXIe背板(1)、PXIe控制器(2)和n个PXIe数据采集卡(3)；
PXIe控制器(2)插在PXIe背板(1)上的系统槽内，任意一个PXIe数据采集卡(3)作为主卡插在PXIe背板(1)上的系统定时槽内，剩余n-1个数据采集卡均作为从卡分别插在PXIe背板(1)上的n-1个混合插槽或n-1个PXIe插槽内，n为大于2的整数；
通过PXIe背板(1)中的通信总线(1-1)，实现PXIe控制器(2)与主卡间的数据通信；
通过PXIe背板(1)中的定时触发总线(1-2)，实现对主卡和所有从卡同时发送触发信号、以及实现对主卡和所有从卡同时发送时钟信号；
其特征在于，采集系统通过控制主卡和所有从卡上的所有采集通道接收的触发信号同步，另外，还通过主卡和所有从卡对接收的相应时钟信号进行相位调整，使得主卡和所有从卡上的所有采集通道时钟同步，最终实现所有PXIe数据采集卡(3)卡间数据采集同步和任意一个PXIe数据采集卡(3)上的所有采集通道数据采集同步。


2.根据权利要求1所述的超多通道全同步数据采集系统，其特征在于，主卡包括一个主FPGA(3-11)和m个主ADC(3-12)；每个从卡包括一个从FPGA(3-21)和m个从ADC(3-22)；m为大于2的整数；
主ADC(3-12)和所有从ADC(3-22)上均具有多个采集通道；
主ADC(3-12)和所有从ADC(3-22)均通过其上的采集通道进行数据采集，并对采集的数据进行模数转化；
(一)所述的采集系统通过控制主卡和所有从卡上的所有采集通道接收的触发信号同步的具体过程为：
PXIe控制器(2)发出的触发控制命令通过通信总线(1-1)发送至主FPGA(3-11)中，主FPGA(3-11)根据接收的触发控制命令，生成背板触发控制信号，并将该背板触发控制信号发送至定时触发总线(1-2)上，定时触发总线(1-2)根据接收的背板触发控制信号同时向主卡上的主FPGA(3-11)和所有从卡上的从FPGA(3-21)发送触发信号；
主卡上的主FPGA(3-11)根据接收的触发信号，向其主卡上的m个主ADC(3-12)发送m路同步的触发信号SYNC_IN；
每个从卡上的FPGA(3-21)根据接收的触发信号，向其所在从卡上的m个从ADC(3-22)发送m路同步的触发信号SYNC_IN；
最终，使得主卡上的所有主ADC(3-12)和每个从卡上的所有从ADC(3-22)接收的触发信号SYNC_IN同步，从而实现主卡和所有从卡上的所有采集通道接收的触发信号同步，进而使得主卡和所有从卡上的所有采集通道同时采样；
(二)所述通过主卡和所有从卡对接收的相应时钟信号进行相位调整，使得主卡和所有从卡上的所有采集通道时钟同步的具体过程为：
PXIe背板(1)中的定时触发总线(1-2)向主卡上的主FPGA(3-11)和所有从卡上的从FPGA(3-21)同时发送时钟信号；
主卡上的主FPGA(3-11)和所有从卡上的从FPGA(3-21)均对接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔家庆，王振宇，付平，郭兆源，吴家顺，王华辰，孙少伟，郭志浩，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23