数据采集及存储器简述

数据采集及存储器简述

张秀锋

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西安天安电子科技有限公司 陕西西安710000

前言：数据采集及存储器主要是将32路接收机输出的模拟中频信号通过ADC转换成数字信号，并进行数字下变频及数字滤波处理，并将32路数字信号送至信号处理及存储器中。

关键词：数据采集 存储器

1数据采集器概况

数据采集器将中频信号首先进行AD变换，接着进行数字下变频（DDC）及数字滤波以降低数据量。数据采集器处理流程如图1所示。

图1 数据采集器处理流程图

数采一共需32个通道，可以将8路/4路做在一块板子上，整个数采器由4/8块数采板组成，多个数采板安装在机箱内，通过母版连接，母版将供电、时钟、控制信号分配给各个数采板，数采板将采集到的数字信号汇集到母版通过光纤传输给数据处理机存储设备（SSD硬盘）。控制信号里包含三个信号：数采卡工作信号、频率综合器串口通信信号，及发射机使能信号。数采卡工作信号分配给各数采卡，频率综合器串口通信信号和发射机使能信号通过数采卡转发，由一块数采卡数采（为保证数采卡标准化，每个数采卡都留有接口）输出，送至频率综合器和发射机，如图2所示

图2 数据采集器原理图

数采中控模块包括数采子卡和通信母板。数采子卡采用16通道的PCIE接口通信，通信母板采用光纤接口通信。存储采用SATA接口的SSD。数采中控模块的组成下图框图已描述。

数采中控模块主要完成中频信号采集、数据预处理、射频前端逻辑控制、板级通信、片间通信、数据存储等功能。完成整个设备的数据流处理、传输、存储和时序控制。

数采中控模块通过上位机或外部机械控制接口实现数采子卡对各射频前端的逻辑时序进行控制输出和工作状态的控制。逻辑控制指令通过通信母板传输至4块数采子卡，数采子卡通过FPGA输出逻辑开关控制时序，射频前端单元频踪模块开始扫频输出，开关阵列时序开始工作。同时数采子卡接收开始采集数据指令，32路射频前端的中频信号通过AD转换芯片转换成数字信号，数据经过转化后进行DDC(数字下变频、抽取及滤波)，32路数据通过通信母板将数据缓存到固态硬盘中，

数采子卡的FPGA为整个板卡的数据处理和时序逻辑控制平台，数采子卡主芯片为XC7K325T系列。AD模数转换采用4片2通道16位100M模数转换芯片AD9268。并对采集的中频模拟数据进行数据预处理、下变频、数据协议打包等处理。通过PCIE接口将打包的数据传输到通信母板。数采子卡还包括DDR3数据缓存（选用MT41J256M16）、FPGA电源管理、DDR3电源管理、AD电源管理、逻辑电平转换等，主要电源管理芯片选用LTM4644。9芯微矩形接口输出逻辑开关控制时序到射频前端单元，控制频踪和开关时序。

通信母板主要对4块数采子卡处理后的数据进行协议打包并存储到指定机械硬盘。通信母板主芯片为XC7V485T系列，接收四路PCIE接口数据进行协议传输打包，通过通信母板光纤接口连接电脑主机存储至指定SATA接口机械硬盘。EPM570为ALTERA公司CPLD，主要完成通信母板3片FPGA的上电控制时序和其他主要部件的逻辑时序控制。并且包括DDR3数据缓存（选用MT41J256M16）、FPGA电源管理、DDR3电源管理、AD电源管理、逻辑电平转换等，主要电源管理芯片选用LTM4644。图中只对主要器件进行标注。

数采中控模块的电气设计包含数采子卡和通信母板两部分。主要是整板的电源输入和整板的各模块的供电。

数采中控模块原理图中的电气设计主要通过DCDC开关电源、LDO线性电源、专用接口稳压源和接口的隔离电源组成。

整板的供电功率大于50W。

数采子板和通信母板的整板模拟器件和高速接口器件，需用LDO线性稳压芯片，保证纹波在供电电压的正负百分之五。其他数字器件采用DCDC开关电源供电，通过走线、敷铜、地回路、磁珠、电感、电容组合，降低开关噪声对整板的影响，保证纹波在各供电电压的正负百分之五。数采子卡和通信母板的电源管理系统相同，数采子卡和通信母板的电源管理流程如图3所示：

图3 数采中控模块各板卡电源管理流程

2使用要求

2.1使用性要求

数采中控模块的板材、器件都是选用工业级标准，满足高低温实验要求。机器焊接，可满足冲击振动实验。按照电磁兼容要求进行器件布局走线。满足设备使用要求。

2.2工艺性要求

根据使用要求和环境要求，PCB板材、器件选型、敷铜、走线、焊盘、丝印、过孔、加工、工艺处理都符合规范要求。

2.3可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性分析

数采中控板依据“六性”设计，具有高可靠性，易维修，具有较高的测试条件，安全性高，适合工业环境的使用要求。

2.4电磁兼容性设计

数采中控板的硬件设计和PCB设计都根据电磁兼容规范要求。

1. 模拟信号部分、高速数字电路部分以及噪声源DC-DC电源三部分合理地分开。

2. 器件布局方面，遵从相互关联的器件尽量靠近的原则，这样可以获得较好的抗噪声效果。

3. 输入输出接口增加保护电路，增加ESD保护。

4. 电源供电每个回路独立，增加去耦铝箔电容。

5. PCB走线严格按照高速数字电路布局规范。

6. 各电源地回路独立，单点接地。

7. 关键信号包地处理。

8. 工艺处理塞孔和焊盘。

9. 抗扰度性能应符合GB/T 17799.2-2003中相关规定；

10. 辐射和传导发射值应符合GB/T 17799.4-2012中相关规定。

参考文献:

1. 刘立群, 孙志毅, 金坤善. 基于MSP430单片机的超低功耗数据采集器设计[J]. 自动化仪表, 2005(04):30.

2. 王秀英等. "高精度数据采集器网络通讯功能的实现." 地震研究 27.002(2004):203-207.