1引言
    随着航天测控技术的迅速发展，对测控系统的数据记录提出了更高的要求,测控工作过程中有大量的雷达、遥测等设备的数据要进行高速采集、记录、存储和事后分析处理，目前遥测设备的大容量数据记录以磁带机为主，而大部分雷达系统不具备大容量记录手段。由于模拟磁带的采购、记录、存储和保管都存在一系列问题，给系统的数据备份、存储记录带来很大的不方便。从存储技术的发展方向来看，由模拟存储技术向数字存储技术过渡已是必然过程。
    根据试验工作的需要，我们开展了采用硬盘的测控数据实时高速数字化采集、存储和回放研究与研制。以解决雷达、遥测、遥控、数传等多路模拟信号的高速采集、存储、事后分析处理和回放技术问题。
2 系统主要技术指标
根据测控设备的实际需要,高速采集、记录与回放系统的总体设计指标如下:
①多路模拟信号最高为6路)采集记录,单路最大模拟带宽可达100MHz;
②8/16 位并行数字信号、时钟信号采集记录;
③串行PCM、QPSK调制等形式的数传、遥测信号采集记录
④外部IRIG-B码时统信号、频综和各种同步与触发信号采集记录;
⑤35MB/sxNN为1、2......6或更多路)数据率的持续记录;

⑥73GBxMM可为1、2...24)存储容量最大可达1.7TB);
⑦记录数据能事后同步回放,误码率低于10-6。
    由上述指标可以看出，系统要实现的是高数据速率、大容量、长序列的数据采集、存储和回放,用常规的数采系统是难于完成的。因此,我们设计了基于SCSI硬盘直接存储的高速数据采集、记录与回放系统,以同时满足高采样速率、大容量存储和模拟、数字混合记录的需要。
3 系统原理与设计
    系统组成原理方框图如图1所示，多路模拟信号在经过信号调理电路1后通过同轴电缆传输到信号采集、存储和回放系统中,信号采集、存储和回放系统由信号调理电路2;两套采集、存储回放子系统;同步子系统;工控机包括 SCSI卡、网卡、DVD刻录机、键盘显示等)和远程计算机等组成。系统中除信号调理电路1和远程计算机以外,其余子系统都集成在工控机箱中,工控机的显示器采用彩色液晶显示器。

    系统的工作过程如下:系统中需要记录的5路信号在经过信号调理电路1后通过50(同轴电缆传输到记录系统中,在多路信号被信号调理电路2调理成合适的电平后分别进入两套采集、存储和回放子系统中进行处理，其中QPSK 信号、B码和10KHz方波在一套采集、存储和回放子系统中采集、存储回放，其余两路信号在另外一套子系统中处理。其中QPSK信号以10bit 分辨率，15MSPS采集、存储回放,B码和10KHz方波都以1比特分辨率和15MSPS采集、存储回放;另外两路PSK信号以8bit 分辨率、5MSPS和1MSPS采样率进行采集处理。5路信号经两套采集、存储和回放子系统处理后，存储在SCSI硬盘中,5路信号需要回放时在工控机的控制下,通过两套采集、存储和回放子系统按原信号格式和采样率回放。存储在SCSI硬盘中的数据需要备份是在工控机的控制下刻录在DVD光盘中永久保存。该系统还可以通过远程计算机对其进行远程控制采集、存储和回放。

3.1 采集电路的设计
    合理的系统结构能简化系统设计，降低实现的难度，保证系统的可靠运行。在高速数据采集电路的设计中,最重要的技术指标是系统的通过速率。这一指标与预采样滤波器的建立和恢复时间、模拟多路开关的转换时间、驱动放大器的响应时间、采样保持电路的捕捉时间和模数转换器的转换时间都有关系。系统各部件的性能参数限制了系统的性能指标，实际上高速数据采集的实现基本上总会受到器件条件的制约，而且对于不同的系统结构,起决定性作用的部件又各不相同,所以选择合适的结构在系统设计中显得尤为重要。
    利用资源的重复，即设置多个数据采集通道并行工作来提高系统的通过速率，具有代表性的一种结构就是多通道并行采集结构。多通道并行就是采用多路A/D同时工作,每路的采样频率fs/N相同,每个通道之间有1/fs的延时fs是系统的总采样频率，N为通道数),ADC的输出经多路开关复合后送到存储器。这种结构的特点是对ADC的速度和系统的时钟频率要求较低，一级缓存的数据吞吐率较小。多通道并列将并行处理的概念与方法引入数据采集系统中，使系统的通过速率可以突破数据采集部件技术指标的限制。

    为方便用户使用，本系统数据采集结构采用了多通道数据采集技术,即由双路50MSPS数据采集完成单路100MSPS。多通道并行采集结构框图如图2所示。
    通过对AD、MAXIM、SPT、BBS 和Harris等几家公司的 ADC芯片性能比较，本系统选择AD 公司的AD9058JD数据采集芯片。AD9058内集成了两个独立的高性能并行8位模数转换器，其转换速率可高达50MSPS,AD9058在采样率为双路50MHz,信号输入频率为10.7MHz时,数据有效位应为7.4位。在单个芯片上集成了两个ADC，可以充分保证两个ADC通道的一致性。每个 ADC有单独时钟输入，可方便的由双路ADC合成单路ADC。独特的电路设计使每路ADC输入电容极小,本身带有高稳定的 2V电压参考源,大大简化了电路设计。其数字地和模拟地分开，有利于消除干扰,AD9058数字信号输入、输出均 TTL电平兼容,可方便地扩展外围电路。

3.2 SCSI硬盘控制的设计

    硬盘控制电路的框图基本如图3所示。主要包括微处理器、DMA控制器、SCSI协议控制器、数据缓存器和高速SCSI硬盘等五部分。在设备的输入接口部分，需要有数据缓存单元。采用专用的FIFO芯片,整个设备从外部数据接口看来，就是一个写不满的 FIFO,也大大简化了对设备数据接口的操作。
    微处理要用来控制设备中各部件的工作，实现设备本身的特定功能。该专用高速硬盘储存设备的目的是实现数据的持续高速储存，处理数据的速度要求就高,通常这类需要传输和处理大量数据的设备均选用数字信号处理器Digital Signal Processing,DSP)作为微处理器。同时,SCSI协议中的许多复杂的控制功能也需要这个微处理器来实现。要实现SCSI协议需要有SCSI协议控制器，由于设备中选用的DSP中通常不会集成SCSI协议控制器，需要选择通用的SCSI协议控制器，辅助DSP实现SCSI协议和通信。文中选择了与SCSI-3标准完全兼容的SCSI协议控制器,它支持启动设备与目标设备两种模式,同步数据传输速率为40MB/s。DMA传输速率最大为50MB/s,由于采用分离的微处理器总线和DMA总线结构，因此能以较高速度产生响应而不会造成瓶颈效应。传送大量数据大都会采用直接存储器访问Direct MemoryAccess,DMA)方式，因此需要独立的DMA控制器或选用带有内置DMA控制器的微处理器。DMA控制器由CPLD器件EPM7064 实现。
3.3 硬盘数据的导出和回放

    数据存储后,对数据进行事后的处理,通常的处理方式是数字信号处理和模拟信号回放。SCSI硬盘仅是一个数据存储体，与计算机操作系统无关的硬盘;但在事后数据处理的时候，SC-SI硬盘又可以作为活动硬盘,通过计算机中的SCSI 适配卡把此硬盘接入计算机，然后通过编程实现数据的导出。
    与高速采集电路相对应，信号复原回放是多路模拟与数字信号混合回放形式。如图4所示。
3.4 抗干扰措施
    对高速系统来说,干扰是一个棘手的问题。理论上完善的系统设计,常常会因为受到干扰而失败。对于高速的数据采集系统来说,干扰源主要分为以下四种:
    (1)、计算机接口板,外信号带来的干扰。凡是带有高速的数字电路的板子,如果与数据采集板之间进行信号传输,都可能通过信号线、地线或电源线把噪声耦合过来。在PCB板间信号传输的理想方法是采用差分ECL线驱动器与终端线接收器以及底板上的微带技术。单端的TTL或CMOS信号在PCB 板间难以传输,因为它们固有的可变电源负载会产生噪声,而ECL逻辑对电源呈现一个恒定的负载。如果必须在PCB 板间传输 TTL或CMOS 信号,应当采用终端线接收器以及端接技术,而且传输距离越短越好 (般<2m)。

    (2)、电源干扰。对高速系统,希望能够选用低噪声、低波纹、温度稳定、线性度好的电源。线性电源是十分理想的选择,但是高速数据采集系统的功耗一般都很大ADC 的功耗一般2W 以上),线性 DC(DC 直流电源的效率往往很低20~30%),而市售的线性电源不是体积太大,就是功率不能满足系统的要求,定做成本又太高。目前市售电源大多是开关电源，效率在80%以上，功率很大,缺点是波纹特性不够好,但可以采用线性集成稳压器作为二级板上分布式电源,降低波纹。电源干扰大致有三类:脉冲式尖峰干扰、减幅振荡干扰,电源浪涌和跌落。除采用完备的滤波电路外,最好采用UPS不间断电源)。
    (3)、时钟电路的干扰。时钟电路的设计与实现在数据采集系统中非常重要,因为时钟是产生电磁辐射的主要来源。数字信号的带宽fr与上升时间有关,fr=0.35/tr，因而一个具有2ns上升沿的时钟信号辐射能量的带宽可达160MHz,其可能的辐射带宽可达十倍频,即能达到1.6GHz,所以必需特别注意时钟线的阻抗控制,传输延迟和阻抗匹配，以及时钟线上容性负载的影响。高速的时钟线与其它信号线的之间的串扰更不可小视,特别对于逻辑电路,串扰是灾难性的东西,它会破坏原理上毫无瑕疵的逻辑设计。在高速数据采集板设计中要注意千万不能让ADC 的数据输出与时钟线发生耦合,数据跳变耦合到时钟线上,会把时序逻辑全部打乱。
    (4)、数字电路对模拟电路的干扰。数字电路的频谱非常宽，是产生干扰的主要来源,ADC后续高速数字电路的开关脉冲噪声会污染模拟电路的地线和信号线，影响ADC的精度，把模拟电路与数字电路分开或通过磁珠滤波都是可行的抗干扰措施。
    4结束语
    经过精心设计和调试,我们完成了对一路QPSK调制信号、两路PSK调制信号、一路B码和一路10KHz同步时钟的高速采集、存储和回放。根据需要采用15MSPS,5MSPS和1MSPS 的采样率;存储深度达到 73GB的容量;存储时间大于1小时;完全实现了系统的设计指标。能满足多种应用场合,具有广泛的应用前景。

(北京装备指挥技术学院)曾峦/王元钦/杨文革
参考文献:

[1]李清军.基于硬盘的视频实时存储方法的研究[J].光学精密工程,2000,(2):146~149.
[2]FRIEDHELM SCHMIDT著.SCSI 总线和IDE 接口.北京:中国电力出版社,2001.
作者简介:曾峦,男,广东人,1963年出生,汉族,工作于装备指挥技术学院测量控制系,教授,现从事信号与信息处理。电话:010-66364221;Email:zengluan@x263.net
Introduction: ZengLuan,male, was born in 1963, in GuangDong.
The Han nationality. He is a professor and Working in The department of measure and control, The Institute of Command and Technology of Equipment. Now he is deal with the process of Signal and Information.
(101416北京装备指挥技术学院)曾峦王元钦杨文革( Institute of Command and Technology of Equipment, Beijing 101416 China)Zeng,LuanWang,YuanqinYang,Wenge
通讯地址:(101416北京怀柔3380信箱 74号)曾峦

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