使用多通道数据采集卡的实验方法
一种新型多路同步数据采集卡的设计与实现
Abstract : This paper presents t he principle and t he realization met hod of a new multiplex channel synchronization data acquisi2 tion board which is used for fault wave2recording device. This da2 ta acquisition board is triggered by GPS , can achieve synchro2 sampling of 24 digital input . The rate of sampling can achieve 250ksps per channel , and t he precision of sampling is 16 bit . Moreover , t his data acquisition board can easily administer t he working met hod of sampling channels in accordance wit h t he dif2 ference of wave2recording objects by t he hardware ISP ( In Sys2 tem Programming) technology of FP GA. The PCI bus ensures its real2time and universal character. Key words : fault wave2recording device ; PCI Bus ; FP GA ; GPS ; synchro2sampling ; ISP
多通道数据采集系统的使用与配置
多通道数据采集系统的使用与配置现代科技的快速发展使得各种数据的采集和处理变得愈加重要和复杂。
在许多领域，需要采集多个信号源或传感器的数据，以便进行分析和决策。
为了满足这样的需求，多通道数据采集系统应运而生。
一、多通道数据采集系统的概述多通道数据采集系统是一种集成多个采集通道的设备，用于采集和存储多个信号源的数据。
这些信号源可以是各种传感器、仪器或其他设备产生的模拟或数字信号。
多通道数据采集系统不仅能够采集数据，还能进行数据处理、分析和存储，为用户提供完整的解决方案。
二、多通道数据采集系统的配置配置一套多通道数据采集系统需要考虑以下几个方面：1. 硬件配置：选择适合实际需求的多通道数据采集硬件设备，包括采集卡、传感器和连接线等。
根据信号源和采集频率的不同，可以选择不同型号和规格的硬件设备。
2. 软件配置：多通道数据采集系统通常配套有专门的软件进行数据采集、处理和分析。
根据实际需求选择适合的软件，并进行相应的配置和参数设置。
3. 连接配置：将数据采集硬件设备与计算机或其他设备进行连接，并确保连接稳定和可靠。
根据实际情况选择合适的连接方式，如USB、PCI等。
4. 电源配置：多通道数据采集系统需要稳定的电源供应，因此需要考虑电源的配置和接口的选择，以确保设备的正常运行。
三、多通道数据采集系统的使用使用多通道数据采集系统可以采集和处理多个信号源的数据，为用户提供更全面的信息和更准确的分析结果。
使用多通道数据采集系统可以应用于多个领域，如医学、工程、环境监测等。
在医学领域，多通道数据采集系统可以用于采集和分析心电图、脑电图、血压等生理信号，用于监测和诊断疾病。
多通道数据采集系统的高精度和高灵敏度使得医生可以更准确地判断患者的病情，并做出相应的治疗方案。
在工程领域，多通道数据采集系统可以用于采集和分析各种工程测量信号，如温度、压力、流量等。
多通道数据采集系统的可靠性和稳定性使得工程师可以更好地了解和控制工程过程，提高产品质量和生产效率。
物理实验技术中的信号发生与采集方法
物理实验技术中的信号发生与采集方法在物理实验中，信号的发生与采集是实验成功的关键步骤之一。
信号的发生是指将被测量的物理量转换成可观测的电信号，而信号的采集则是将转换后的电信号进行处理和记录。
本文将分析一些常见的信号发生与采集方法，以及它们在物理实验中的应用。
一、传感器与转换器传感器是将被测量的物理量转换成电信号的关键设备。
不同的物理量需要使用不同的传感器。
例如，温度可以使用热敏电阻或热电偶进行测量，压力可以使用压力传感器进行测量，光强可以使用光敏电阻或光电二极管进行测量。
传感器的选择需要根据被测量的物理量以及实验的要求来决定。
传感器输出的电信号通常是微弱的，需要经过放大和转换才能被采集系统处理。
转换器的作用就是将传感器输出的微弱电信号放大成符合采集系统要求的电信号。
常见的转换器包括放大器、滤波器、模数转换器等。
放大器可以将传感器输出的微弱信号放大到合适的幅度范围内，滤波器则可以去除噪声和杂散信号，保证采集信号的准确性。
模数转换器可以将连续的模拟信号转换成数字信号，方便计算机进行处理。
二、多通道信号采集系统在实际的物理实验中，我们经常需要同时采集多个信号，这就需要使用多通道信号采集系统。
多通道信号采集系统可以同时采集多个传感器输出的信号，并将它们整合到一个统一的数据流中。
这种系统通常由采集卡和计算机组成。
采集卡是一种专门用于信号采集和处理的硬件设备，它可以通过各种接口与传感器和计算机进行连接。
采集卡上通常有多个模拟输入通道，可以接入多个传感器的信号。
它还可以进行模数转换、滤波、放大等处理工作，将采集到的信号转换成数字信号，并传输给计算机进行进一步处理。
计算机则是多通道信号采集系统的核心控制单元。
它可以通过采集卡的接口与采集卡进行通信，并接收和处理采集到的信号。
计算机上安装的采集软件可以将采集到的信号进行实时显示、存储和分析。
通过计算机，我们可以方便地对采集到的信号进行后续处理、统计和分析，得到实验结果。
多通道高速数据采集卡的设计
① 煤 粉 仓 的 设计
要 保 证 计 重 机 稳 定 连 续 地 计
量 ， 粉仓 的煤 粉 下 料 通 畅 是 先 决 条 件 。 因 此 在 设 计 煤 煤 粉 仓 时 ， 使得 煤 粉 仓 锥 部 的 倾 斜 角 大 于 煤 粉 的安 应 息 角 ， 于煤 粉 整 体 流 动 ， 匀 下 料 。否 则 ， 形 成 漏 便 均 将 斗 形 流 动 ， 成 煤 粉下 料 不 均 匀 。 造 ② 均 压 管 的 设 置 计 重 机 内部 如 果 发 生 压 力 变
魏 娜 智 力 事 南 先
（ 长春光学精 密机械学院电信舟 院， 长春 １ ０ ２ ３ ２） ０
摘
要
通对对 多通道 高速 同步数据 采榘卡 的具 体设 Ｉ 制作 ， 十、 对其基 本功能 、 特点 、 总体设 计方 词 数据 采集 同步 采集 高速采 集 多 路数据
在 ０ ５…０ ６ ．
４ 结束语
随着 水 泥 等 行 业 的 发 展 ， 粉 料 计 量 显 得 越 来 越 对 重要 ， 状天平计重机正是 这样一 种能够连 续、 确 、 环 精 稳 定 且 无 泄 漏 、 飞 扬 的 粉料 流 量 计量 系统 ， 后 在 多 无 今 种 行 业 中必 将 得 到 更 加 广泛 的应 用 。
３ 配套 设备 的设计
要 使 得 环 状 天 平 计 重机 稳 定 计 量 ， 达到 设 计 精 度 ， 其 前后 配套 设 备 设 计 的好 坏 ， 得 至 关 重 要 ， 显 主要 有 以
下两点：
传感 器 测 出 的 称重 信 号 和 转 速 信 号 ， 控 制 器 内 算 出 在 流 量 值 ， 经 过 ＰＢ运 算 ， 出 ２个 调 速 信 号 ， 别 送 再 Ｉ 输 分 给 定 量供 给 机 和 流 量 计 重 机 的 电 机 变 频 器 ， 节 电机 调 的转 速 ， 而 使 得 实 际 的 给 料 量 与 设 定 的 给 料 量 相 一 从
多通道数据采集系统的设计与实现
多通道数据采集系统的设计与实现近年来，随着科技的不断发展和数据的迅速增长，对于多通道数据采集系统的需求越来越迫切。
多通道数据采集系统旨在通过多个输入通道同时采集、传输和处理多组数据，以满足大规模数据采集和处理的需求。
本文将详细介绍多通道数据采集系统的设计与实现。
1. 系统需求分析在设计多通道数据采集系统之前，首先要明确系统的需求。
根据具体的应用场景和目标，我们需要确定以下几个方面的需求：1.1 数据采集范围：确定需要采集的数据范围，包括数据类型、数据量和采集频率等。
这将直接影响系统的硬件选择和设计参数。
1.2 数据传输和存储要求：确定数据传输和存储的方式和要求。
例如，是否需要实时传输数据，是否需要数据缓存和压缩等。
1.3 系统的实时性要求：确定系统对数据采集和处理的实时性要求。
根据实际应用场景，可以确定系统对数据延迟和响应时间的要求。
1.4 系统的可扩展性：考虑系统的可扩展性，以满足未来可能的扩展需求。
这包括硬件和软件的可扩展性。
2. 系统设计在需求分析的基础上，我们进行多通道数据采集系统的设计。
系统设计主要包括硬件设计和软件设计两个方面。
2.1 硬件设计根据需求分析中确定的数据采集范围和要求，我们选择合适的硬件设备进行数据采集。
常用的硬件设备包括传感器、模拟信号采集卡和数字信号处理器等。
2.2 传感器选择根据需要采集的数据类型，选择合适的传感器进行数据采集。
不同的传感器适用于不同的数据类型，如温度传感器、压力传感器、光传感器等。
2.3 采集卡设计针对多通道数据采集系统的特点，我们需要选择合适的模拟信号采集卡进行数据采集。
采集卡应具备多个输入通道，并能够同时采集多个通道的数据。
2.4 数字信号处理器设计针对采集到的模拟信号数据，我们需要进行数字信号处理。
选择合适的数字信号处理器进行数据处理，如滤波、采样和转换等。
2.5 软件设计针对系统的需求和硬件的设计，我们需要进行软件设计，以实现数据采集、传输和处理。
NI采集卡的多通道不同功能采集的配置操作方法
NI采集卡的多通道不同功能采集的配置操作方法1. 打开NI采集卡的配置软件：首先需要打开NI采集卡对应的配置软件，例如NI-DAQmx或者LabVIEW，这些软件提供了图形化界面和API 接口来配置和控制采集卡。
2.确定采集通道数目：在软件界面上，需要确定采集的通道数目，即同时采集的信号源数量。
根据具体应用需求，可以选择多通道采集配置。
3.配置采集参数：针对每个通道，需要配置采集参数，例如采样率、量程、触发模式等。
采样率是指每秒采样的次数，量程是指信号的幅度范围，触发模式是指启动采集的条件。
4.设定物理连接：将各个信号源与采集卡的输入端口进行物理连接。
通常，使用BNC线缆将信号源连接到采集卡的输入通道。
5.配置数据存储方式：在采集卡配置软件中，可以选择数据存储的方式。
可以选择将数据保存在计算机的硬盘中，或者直接存储在采集卡的内存中。
6.设置数据处理功能：如果需要对采集到的数据进行进一步的处理，可以在配置软件中设置数据处理功能。
例如，可以选择进行滤波、数字信号处理、实时显示等操作。
7.验证配置：在完成配置后，可以进行配置的验证。
可以通过软件提供的测试功能，发送一个已知的测试信号，并观察是否能够正确采集到该信号。
8.启动采集：完成配置后，可以启动采集操作。
可以通过配置软件提供的开关按钮或者编程接口来启动采集操作。
一旦启动，采集卡将开始按照配置的参数进行数据采集。
9. 数据后处理：采集完数据后，可以进行数据后处理操作。
可以使用MATLAB、LabVIEW等软件进行数据分析、图像显示等。
总结：NI采集卡的多通道不同功能采集的配置操作方法包括打开配置软件、确定通道数目、配置采集参数、物理连接、配置数据存储方式、设置数据处理功能、验证配置、启动采集和数据后处理。
通过这些步骤，可以正确配置NI采集卡以满足不同应用的需求。
基于STM32单片机的多路数据采集系统设计
基于STM32单片机的多路数据采集系统设计概述：多路数据采集系统是一种用于采集和处理多种传感器信号的系统。
基于STM32单片机的多路数据采集系统具有低功耗、高精度、稳定可靠的特点，广泛应用于工业控制、环境监测和医疗设备等领域。
本文将介绍基于STM32单片机的多路数据采集系统的设计方案及实现方法。
设计方案：1.系统硬件设计：系统硬件由STM32单片机、多路模拟输入通道、数模转换器（ADC）和相关模拟电路组成。
其中，多路模拟输入通道可以通过模拟开关电路实现多通道选通；ADC负责将模拟信号转换为数字信号；STM32单片机负责控制和处理这些数字信号。
2.系统软件设计：系统软件可以采用裸机编程或者使用基于STM32的开发平台来进行开发。
其中，主要包括数据采集控制、数据转换、数据处理和数据存储等功能。
具体实现方法如下：-数据采集控制：配置STM32单片机的ADC模块，设置采集通道和相关参数，启动数据采集。
-数据转换：ADC将模拟信号转换为相应的数字量，并通过DMA等方式将数据传输到内存中。
-数据处理：根据实际需求对采集到的数据进行预处理，包括滤波、放大、校准等操作。
-数据存储：将处理后的数据存储到外部存储器（如SD卡）或者通过通信接口（如UART、USB）发送到上位机进行进一步处理和分析。
实现方法：1.硬件实现：按照设计方案，选择适应的STM32单片机、模拟开关电路和ADC芯片，完成硬件电路的设计和布局。
在设计时要注意信号的良好地线与电源隔离。
2.软件实现：（1）搭建开发环境：选择适合的开发板和开发软件（如Keil MDK），配置开发环境。
（2）编写初始化程序：初始化STM32单片机的GPIO口、ADC和DMA等模块，配置系统时钟和相关中断。
（3）编写数据采集程序：设置采集参数，例如采样频率、触发方式等。
通过ADC的DMA功能，实现数据的连续采集。
（4）编写数据处理程序：根据实际需求，对采集到的数据进行预处理，例如滤波、放大、校准等操作。
多通道采集器的设计
㊀２０２１年㊀第２期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．２㊀基金项目：浙江省自然科学基金项目（ＬＹ１７Ｆ０１００１２）收稿日期：２０２０－０１－１７多通道采集器的设计范㊀威，楼喜中，邢国鹏，辛崇丰，全大英（中国计量大学信息工程学院，浙江省电磁波信息技术与计量检测重点实验室，浙江杭州３１００１８）㊀㊀摘要：为了满足声呐与语音信号处理中对多通道信号同步采集和采样率可变的应用需求，提出了一种基于高性能现场可编程逻辑门阵列（ＦＰＧＡ）的多通道采集器㊂该采集器使用ＦＰＧＡ作为控制器件进行模块化设计，采用２４颗高精度模数转换器（ＡＤＣ）ＡＤ７７６８，并结合上位机控制数据采集和数据处理，实现采样率可变的１９２通道并行数据采集功能㊂实验测试表明，该采集器同步性能优于２５ｎｓ，采样率可通过上位机配置切换，数据记录速率高达１９６ＭＢ／ｓ㊂关键词：多通道；同步采集；采样率；现场可编程逻辑门阵列；模数转换器；有效位数中图分类号：ＴＮ９８㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０２－００４１－０６ＤｅｓｉｇｎｏｆＭｕｌｔｉ⁃ｃｈａｎｎｅｌＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅＦＡＮＷｅｉ，ＬＯＵＸｉ⁃ｚｈｏｎｇ，ＸＩＮＧＧｕｏ⁃ｐｅｎｇ，ＸＩＮＣｈｏｎｇ⁃ｆｅｎｇ，ＱＵＡＮＤａ⁃ｙｉｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＪｉｌｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＷａｖｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＭｅｔｒｏｌｏｇｙｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｓｏｎａｒａｎｄｓｐｅｅｃｈｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｆｏｒｍｕｌｔｉ⁃ｃｈａｎｎｅｌｓｉｇｎａｌｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓａｃ⁃ｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｖａｒｉａｂｌｅｓａｍｐｌｉｎｇｒａｔｅ，ａｍｕｌｔｉ⁃ｃｈａｎｎｅｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｂａｓｅｄｏｎｈｉｇｈ⁃ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｉｅｌｄ⁃ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｗａｓｍｏｄｕｌａｒ⁃ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｕｓｉｎｇＦＰＧＡａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｄｏｐｔｉｎｇ２４ｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎａｌｏｇ⁃ｔｏ⁃ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓＡＤ７７６８，ａｎｄｅｍｐｌｏｙｉｎｇａｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒｔｏｃｏｎｔｒｏｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｕｓｔｈｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆ１９２－ｃｈａｎｎｅｌｐａｒａｌｌｅｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｗｉｔｈａｖａｒｉａｂｌｅｓａｍｐｌｉｎｇｒａｔｅｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ＇ｓｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎ２５ｎｓ，ｔｈｅｓａｍｐｌｉｎｇｒａｔｅｃａｎｂｅｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄｏｒｓｗｉｔｃｈｅｄｂｙｔｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｎｄｔｈｅｄａｔａｒｅｃｏｒｄｉｎｇｒａｔｅｉｓｕｐｔｏ１９６ＭＢ／ｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ⁃ｃｈａｎｎｅｌ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｓａｍｐｌｉｎｇｒａｔｅ；ＦＰＧＡ；ａｎａｌｏｇ⁃ｔｏ⁃ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＥＮＯＢ０㊀引言在声呐和语音信号处理设备的科学实验㊁研发㊁生产和应用中，多通道采集器扮演着重要的角色，用于实验室和外场数据采集㊁设备中性能评估和设备检验检定等㊂根据声呐和语音信号处理的特点，采集器的采集通道数一般达到几十个甚至一百个以上，语音信号和声呐的频率范围在３Ｈｚ ９７ｋＨｚ之间㊂为了满足上述要求，文献［１］设计的搭载于自主无人航行器的多波束声呐接收系统，选用１６ｂｉｔ模数转换器ＡＤ７６５７，实现了最高采样率为２５０ＫＳＰＳ的１０８通道同步数据采集；文献［２］设计的多通道采集检测系统应用１６ｂｉｔＡＤＣ芯片ＡＤ７６０６，实现了在强噪声环境下采样率为１００ＫＳＰＳ的１２８通道并行实时数据采集功能㊂采集器除了通道数及采样率的要求外，还应考虑到采集器对于通道一致性㊁存储带宽和处理实时性的需求［３－５］㊂采集器的主控芯片可以在单片机㊁ＤＳＰ和ＦＰＧＡ芯片中选取㊂ＦＰＧＡ与单片机和ＤＳＰ对比，具有工作时钟频率高㊁高集成度㊁实时性强㊁丰富的内部逻辑资源且易于编程和研发周期短等很多优势［６－８］㊂采集器的采样精度和采样率取决于硬件设计所采用的ＡＤＣ芯片，在ＡＤＣ芯片选择的时候，需要在采样率㊁采样精度和复杂度之间折中㊂本系统采用高性能ＦＰＧＡ和高集成度的ＡＤＣ，设计通道数为１９２个㊁最高采样率为２５６ＫＳＰＳ㊁采样精度为２４ｂｉｔ的多通道信号采集器㊂该采集器能够同步采集声呐或语音信号，存储到存储板或者从主控板输出以完成进一步的分析和处理㊂１㊀总体设计多通道采集器的总体架构如图１所示㊂设备主要由采集板㊁存储板㊁主控板和标准６ＵＶＰＸ背板组成㊂将２个硬件上完全一致的９６通道采集板配置成主和㊀㊀㊀㊀㊀４２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０２１㊀图１㊀采集器系统总体架构从采集板组合的方式，实现最多１９２通道的信号采集㊂主从采集板间通过ＳＲＩＯ和控制线ＧＰＩＯ接口进行通信㊂存储板用于存储采集数据，采集板采集的数据通过ＰＣＩｅ高速接口传输到存储板㊂主控板实现音频信号采集和上位机功能㊂上位机控制音频信号采集和采样率变换，并完成设备管理和存储管理㊂２㊀硬件设计基于多通道采集器的总体架构，采用高性能ＦＰＧＡ和高精度ＡＤＣ器件并结合ＡＮＳＩ标准ＦＭＣ（ＦＰ⁃ＧＡｍｅｚｚａｎｉｎｅｃａｒｄ）载板与子卡互联结构，设计多通道采集器的硬件平台㊂２．１㊀硬件实现采集板设计为９６通道，系统采用主㊁从２块采集板实现１９２路同步采集㊂采集板采用标准６ＵＦＭＣ采集载板加双宽度ＦＭＣ子卡组合的模块化设计，以实现高集成度和模块通用化㊂６ＵＦＭＣ采集载板实现信号调理和模数转换等功能；ＦＭＣ子卡实现数字信号处理㊁数据传输和数据缓存等功能㊂采集载板根据功能划分为９６通道输入信号接口㊁信号调理单元㊁１２颗ＡＤＣ芯片㊁时钟单元和同步单元等㊂图２给出了采集载板的硬件原理框图㊂图２㊀采集载板硬件框图图３为采集载板硬件原型实物图㊂ＦＭＣ子卡根据功能划分为电源㊁时钟单元㊁Ｆｌａｓｈ模块和ＤＤＲ３数据存储单元等㊂ＦＭＣ子卡主控芯片选用Ｋｉｎｔｅｘ－７系列ＦＰＧＡＸＣ７Ｋ４１０Ｔ；ＤＤＲ３采用ＭＴ４１Ｊ５１２Ｍ８ＲＡ颗粒，总容量为２ＧＢ，最高存取速率图３㊀采集载板硬件原型实物支持１６００ＭＴ／ｓ，主要用于采集数据的高速缓存；Ｆｌａｓｈ模块采用ＮＯＲＦｌａｓｈ芯片ＭＴ２５ＱＬ２５６ＡＢＡ，用于固化和加载ＦＰＧＡ中ｂｉｔ镜像程序㊂图４为ＦＭＣ子卡硬件实现框图㊂图４㊀ＦＭＣ子卡硬件框图图５为ＦＭＣ子卡硬件原型实物图㊂图５㊀ＦＭＣ子卡原型实物２．２㊀信号调理电路设计信号调理电路包括直流隔离㊁单端转差分㊁衰减和ＡＤＣ接口匹配，用于系统的信号处理和阻抗变换等㊂信号调理电路框图如图６所示㊂图６㊀信号调理电路原理框图图６中，系统输入信号频率为３Ｈｚ ９７ｋＨｚ，需经㊀㊀㊀㊀㊀第２期范威等：多通道采集器的设计４３㊀㊀直流隔离以防止直流偏置在电路中的干扰㊂ＡＤＣ芯片输入信号要求是差分输入，需将单端信号进行差分处理㊂外部输入信号电压范围为０ ２０Ｖ，而ＡＤＣ芯片支持的单端输入信号电压范围为０ ５Ｖ，因此将单端信号进行４倍衰减，以满足ＡＤＣ芯片输入信号电压范围的需求㊂另外，需进行ＡＤＣ接口适配，以满足ＡＤＣ芯片输入高阻的要求㊂２．３㊀采样电路设计由于信号的带宽近１００ｋＨｚ，基于工程实现考虑选择２５６ｋＨｚ的最高采样率；综合考虑性能㊁集成度和成本，选用８通道ＡＤＣ芯片ＡＤ７７６８㊂ＡＤ７７６８的高集成度，降低了所需的ＰＣＢ布局面积㊂采集单板采用１２颗ＡＤＣ芯片实现９６通道采集㊂根据ＡＤＣ芯片每通道单端输入信号范围为０ ５Ｖ，将基准参考电压设定为５Ｖ㊂图７给出了ＡＤＣ芯片的详细电路设计㊂图７㊀ＡＤ７７６８配置电路设计２．４㊀时钟和同步电路设计同步采集要求各ＡＤＣ的时钟和同步信号完全同源，以实现多通道同步采集㊂２．４．１㊀时钟分配电路主采集板选择３２．７６８ＭＨｚ或２４．５７６ＭＨｚ的参考时钟，该时钟通过高性能超低抖动缓冲器ＬＭＫ００１０５后输出４路为主㊁从采集板提供时钟，主㊁从采集板再分别采用低抖动缓冲器ＣＤＣＬＶＣ１１１２输出１２路为所有ＡＤＣ芯片提供ＭＣＬＫ（主时钟）㊂同源时钟设计框图如图８所示㊂图８㊀时钟同源设计框图在图８中，ＬＭＫ００１０５芯片输出偏斜为６ｐｓ；时钟在ＰＣＢ等长布线设计中，误差不超过３００ｍｉｌ，约为５０ｐｓ的延迟误差；ＣＤＣＬＶＣ１１１２最大输出偏斜为５０ｐｓ㊂由此可知，时钟的总延迟误差约为１０６ｐｓ㊂２．４．２㊀同步信号分配电路主采集板中ＡＤＣ１产生同步信号ＳＹＮＣ＿ＯＵＴ，该同步信号通过ＣＤＣＬＶＣ１１０４输出２路为主㊁从采集板提供同步信号，主㊁从采集板再分别采用ＣＤＣＬＶＣ１１１２输出１２路为所有ＡＤＣ芯片提供同步信号㊂同步信号同源设计框图如图９所示㊂图９㊀同步信号同源设计框图在图９中，ＣＤＣＬＶＣ１１０４和ＣＤＣＬＶＣ１１１２输出的最大偏斜为５０ｐｓ；同步信号在ＰＣＢ等长布线设计中，误差小于６００ｍｉｌ，约为１００ｐｓ的延迟误差㊂在同步信号同源电路中，可计算得到同步信号的最大延迟误差约为２００ｐｓ㊂２．５㊀ＦＭＣ子卡设计ＦＭＣ子卡中ＦＰＧＡ的Ｉ／Ｏ引脚数为９００，其中可用的普通Ｉ／Ｏ引脚数约３５０，另有高速接口ＧＴｘ１６ｘ㊂而单个ＡＮＳＩ５７．１－２００８标准的ＨＰＣ（多管脚数）ＦＭＣ支持４对标准时钟管脚㊁８０对标准差分管脚或者１６０个单端管脚㊁２对高速时钟管脚以及２０对高速差分管脚㊂合理安排ＦＰＧＡ与ＦＭＣ接口的连线后，ＦＰＧＡ的引脚连线分配如图１０所示㊂ＦＭＣ标准将子卡ＦＰＧＡ与载板Ｉ／Ｏ口分离设计，简化了ＦＰＧＡ接口电路设计，更好地实现系统的通用性和灵活性，且该设计支持高速口ＰＣＩｅ和ＳＲＩＯ通信㊂３㊀软件设计采集器软件主要包括采集板间ＳＲＩＯ数据传输㊁㊀㊀㊀㊀㊀４４㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０２１㊀图１０㊀ＦＭＣ与ＦＰＧＡ的连线设计ＤＤＲ３数据缓存和上位机软件㊂运行于采集板的软件设计为主从板兼容的形式，能够自动识别工作的模式，进而实现代码的可重用和可移植㊂设备工作时，通过ＶＰＸ背板连线的管脚信息判断是主９６通道还是从９６通道采集板，主采集板ＳＲＩＯ配置为接收数据模式，从采集板ＳＲＩＯ配置为发送数据模式㊂ＤＤＲ３高速缓存主从板采集数据，上位机通过ＰＣＩｅ接口控制数据采集和数据处理㊂３．１㊀采集数据传输机制采用的ＡＤＣ芯片ＡＤ７７６８支持八通道同步采集，采集数据的精度为２４ｂｉｔ，最高位为符号位㊂为了方便上位机处理数据，软件设计中对每个采样点通过符号位扩展的方式，将采样数据由原本的２４ｂｉｔ位宽扩展成３２ｂｉｔ，故一颗ＡＤＣ芯片在每个采样时刻输出８个３２ｂｉｔ数据㊂设计使用ＦＩＦＯ作为缓冲区缓存采集数据㊂如图１１所示，从采集板每颗ＡＤＣ芯片对应一个命名为ＦＩＦＯ０的缓冲区，每个缓冲区的读写数据的位宽为２５６ｂｉｔ㊂主采集板建立１２个命名为ＦＩＦＯ１的ＦＩＦＯ缓冲区对传输得到的从采集板采集数据进行缓存，主㊁从采集板之间通过ＳＲＩＯ接口完成ＦＩＦＯ０到ＦＩＦＯ１缓冲区数据传输㊂主㊁从采集板间数据传输设计如图１１所示㊂图１１㊀采集板间数据传输设计２块采集板ＦＰＧＡ之间通信采用５ＧｂｐｓＳＲＩＯ４ｘ进行通信㊂实测ＳＲＩＯ４ｘ接口的传输速率为１．２ＧＢ／ｓ，而从采集板的最大采集数据速率约为９６ＭＢ／ｓ㊂ＳＲＩＯ４ｘ接口传输速率超过从采集板数据采集速率，可以满足采集数据传输的需求㊂３．２㊀采集数据存储为了满足１９２通道同时工作的需求，软件中主采集板一共设计２４个命名为ＦＩＦＯ２的ＦＩＦＯ缓冲区缓存采集数据，通过软件配置使能需要使用的ＦＩＦＯ２㊂主从采集板一起工作时，从采集板的采集数据按照时序通过ＳＲＩＯ接口送到主采集板，主采集板将２块采集板的采集数据整理好并缓存在主采集板的ＤＤＲ３中，当ＤＤＲ３缓存的数据量大于等于１ＭＢ时，上位机开启ＰＣＩｅ的ＤＭＡ读数据通道，读取这１ＭＢ数据后关闭读数据通道，等待ＤＤＲ３缓存数据量再次达到１ＭＢ时重复以上步骤㊂同时上位机将数据连续存入存储板或作进一步处理㊂１９２通道采集数据存储设计如图１２所示㊂图１２㊀采集数据存储设计图１２中，当设备１９２通道全部开启时，系统最大的并行采集速率约为９２ＭＢ／ｓ，而ＤＤＲ３实际的读写速率为１０ＧＢ／ｓ㊂可知，实时采集数据速率远远小于ＤＤＲ３的读写速率，即ＤＤＲ３性能满足系统实时缓存采集数据的要求㊂采用的高性能ＦＰＧＡ芯片ＸＣ７Ｋ４１０Ｔ支持Ｇｅｎ２ＰＣＩｅ４ｘ接口，ＰＣＩｅ４ｘ接口传输速率为２ＧＢ／ｓ，故采用ＰＣＩｅ４ｘ接口传输满足系统最大的并行采集数据速率要求㊂ＰＣＩｅ接口通信有２种模式：采集板与上位机之间数据批量传输采用ＰＣＩｅ的ＤＭＡ通信模式；而对于上位机与采集板之间控制信号的接收和下发，采用ＰＣＩｅ的读写寄存器通信模式㊂４㊀实验信号源为采集板提供输入信号，上位机通过ＰＣＩｅ控制系统采样率并控制处理采集数据，采集板采集的数据通过ＰＣＩｅ保存到存储板，ＵＳＢ从主控板中导出采集数据，在调试ＰＣ利用ＭＡＴＬＡＢ分析采集器的性能㊂用于采集器性能测试的实验系统如图１３所示㊂㊀㊀㊀㊀㊀第２期范威等：多通道采集器的设计４５㊀㊀图１３㊀采集器性能测试实验系统４．１㊀采集功能验证４．１．１㊀采集板数据采集功能测试按图１３搭建实验系统，配置采集器正常采集数据，通过ＦＰＧＡ调试实时采集数据㊂采用Ｖｉｖａｄｏ２０１７．４ＩＬＡ抓取２块采集板ＡＤＣ数据采集时序，其中ｍａｓｔｅｒ＿ｆｌａｇ为１是主９６通道采集板，ｍａｓｔｅｒ＿ｆｌａｇ为０是从９６通道采集板㊂２块采集板的数据采集时序如图１４所示㊂图１４㊀采集板数据采集时序从图１４可以看出主从采集板能够正常采集数据㊂进一步通过比较主从采集板间硬件连接的同步信号，可以发现两板实现了同步采集㊂４．１．２㊀上位机采集测试启动设备，打开如图１５所示的上位机软件㊂图１５中，实测数据记录速率为１９６ＭＢ／ｓ，与１９２通道数据最大并行采集速率一致㊂系统选取了ＡＤＣ的４种抽取工作模式，再结合ＦＰＧＡ控制ＡＤＣ所处的ＰＩＮ模式并选择ＡＤＣ芯片的ＭＣＬＫ频率，能够实现采样率在图１５㊀系统上位机采集测试界面２５６㊁１９２㊁１２８㊁９６㊁６４㊁４８㊁３２㊁２４ＫＳＰＳ之间的任意改变㊂４．２㊀采集精度测试信号源ＳＭＡ１００Ｂ提供输入信号１ｋＨｚ正弦波，任意选择ＡＤＣ芯片ＡＤ７７６８的一个通道，在采样率为２５６ＫＳＰＳ下采集数据，导出数据后得到如图１６所示的信号频谱㊂（ａ）没有加滤波器的频谱（ｂ）加滤波器的频谱图１６㊀ＡＤ７７６８采集获得的频谱图１６中，有效位数（ＥＮＯＢ）和信纳比（ＳＩＮＡＤ，单位ｄＢｃ）的关系由ＥＮＯＢ＝（ＳＩＮＡＤ－１．７６３）／６．０２（ｂｉｔｓ）得到㊂图１６（ａ）为没有加滤波器采集结果，图１６（ｂ）为加滤波器后的结果，所加的滤波器为８阶低通滤波器，其截止频率为８ｋＨｚ㊂由图１６（ａ）和图１６（ｂ）的测试结果对比可知信号源的二次谐波（２ｋＨｚ）性能差，导致ＳＦＤＲ（无杂散动态范围）指标整体偏低㊂ＡＤ７７６８在快速工作模式时，最高采样率为２５６ＫＳＰＳ㊂表１列出了ＡＤ７７６８数据手册针对输入信号１ｋＨｚ正弦波主要的动态性能参数：信噪比（ＳＮＲ）㊁ＳＩＮＡＤ㊁ＳＦＤＲ和总谐波失真（ＴＨＤ）㊂表１㊀ＡＤ７７６８数据手册给定的动态参数采样率／ＫＳＰＳ输入信号／ｋＨｚＳＮＲ／ｄＢＦＳＳＩＮＡＤ／ｄＢｃＳＦＤＲ／ｄＢｃＴＨＤ／ｄＢｃ２５６１ȡ１０６．２ȡ１０９ȡ１０６ɤ－１１３㊀㊀㊀㊀㊀４６㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０２１㊀图１６（ｂ）显示的结果与表１对比，虽然在实验中采用了最大截止频率为８ｋＨｚ的滤波器，但是由于信号源输出的二次谐波性能差，所以导致ＡＤ７７６８中ＳＦＤＲ和ＴＨＤ的测试结果与器件手册给出的参数相比稍差，而其他动态性能指标与手册中给出的参数相当㊂４．３㊀同步性能测试信号源输出１ｋＨｚ正弦波信号，在功分后输入ＡＤＣ完成采样率为２５６ＫＳＰＳ的同步采样㊂同步采集得到的信号波形如图１７所示㊂㊀（ａ）３２通道同步测试波形（ｂ）放大后３２通道同步测试波形图１７㊀采集数据同步波形因测试条件限制，测试１９２通道同步时需切换６次完成所有通道间的同步性能测试㊂以通道１㊁３３㊁６５㊁９７㊁１２９㊁１６１为参考基准，每次进行ＦＦＴ分析，并计算正弦波的相位，可以得到其他３１个通道与参考基准间的通道延迟和角度偏差㊂测试通道间同步性能结果如表２所示㊂表２㊀通道间同步测试结果测试通道通道间最大延迟／ｎｓ通道间最大角度偏差／（ʎ）ｃｈ１－３２１４．１１４１．３０１ｃｈ３３－６４１６．６１５１．５３１ｃｈ６５－９６２２．９４４２．１１５ｃｈ９７－１２８１２．８７２１．１８６ｃｈ１２９－１６０１５．７５４１．４５２ｃｈ１６１－１９２１７．３１１１．５９５㊀㊀表２的实测结果表明，系统通道间同步性能小于２５ｎｓ，满足大部分声呐及语音信号处理要求㊂４．４㊀性能分析表３列出了近年来多通道采集器所采用的主控芯片㊁采集通道数㊁最高采样率和采样精度㊂本文所设计的采集器的采集通道数为１９２个㊁最高采样率为２５６ＫＳＰＳ且采样精度为２４ｂｉｔ，与表３列出的设备比较，该采集器在采集通道数和采样精度上表３㊀已有多通道采集器性能对比表文献主控芯片采集通道数最高采样率／ＫＳＰＳ采样精度／ｂｉｔ［１］ＦＰＧＡ１０８２５０１６［２］ＦＰＧＡ１２８２００１６［３］ＦＰＧＡ１２８２０００１６［４］ＦＰＧＡ１８０６５０００１２［６］ＦＰＧＡ９６１４４２４［７］ＦＰＧＡ６０４００１８有一定的优势，但在采样率方面作了折中处理㊂这是由声呐与语音信号的特点决定的，在大部分场合语音信号对采样率的要求并不高，本文所设计的采集器在通道数㊁采样精度和采样率等方面可以满足声呐与语音信号应用的需求㊂５㊀结束语采用双宽度ＦＭＣ结构，选用高性能ＦＰＧＡ和高精度ＡＤＣ并结合上位机软件控制，设计了一种通用性强的高精度多通道采集器系统㊂测试结果表明，该采集器支持１９２通道并行数据同步采集，通道延迟误差小㊁采样率可配置切换㊁数据吞吐速率和实时性高㊂满足在声呐与语音信号处理中的应用需求㊂对多通道采集器的研究设计与工程实现，具有一定的参考价值和借鉴意义㊂参考文献：［１］㊀阚成良．ＡＵＶ载多波束声呐接收系统硬件平台设计与实现［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，２０１９．［２］㊀易志强，韩宾，鲜龙，等．旋转环境下基于ＦＰＧＡ的多通道数据采集系统设计［Ｊ］．电子技术应用，２０１９，４５（９）：６０－６４．［３］㊀唐亮，刘晓东，刘治宇．一种通用多通道高频相控发射和采集系统［Ｊ］．声学技术，２０１６，３５（２）：１７４－１７９．［４］㊀杨成，夏伟杰，杨康，等．多波束成像声呐调理采集电路的设计［Ｊ］．电子测量技术，２０１３，３６（１２）：１０８－１１７．［５］㊀杨博，张加宏，李敏，等．基于ＡＲＭ的多通道数据采集系统［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１５（２）：１０４－１０７．［６］㊀张理京．基于９６通道同步数据采集系统的软硬件设计与实现［Ｄ］．西安：西安电子科技大学，２０１４．［７］㊀董卫珍，衡总，张磊磊．基于ＦＰＧＡ的多通道采集传输模块的设计［Ｊ］．电子技术与软件工程，２０１７（１７）：１１７－１１８．［８］㊀韩宾，易志强，江虹，等．一种高精度多通道实时数据采集系统设计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１９（９）：４２－４５．作者简介：范威（１９９２ ），硕士研究生，主要研究领域为数字信号处理实现㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓ１７０３０８１００１＠ｃｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ通信作者：楼喜中（１９７６ ），副教授，博士，主要研究领域为无线定位㊁ＭＥＭＳ传感器导航定位㊁多天线技术㊁信道编码㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｏｕ９９９＠ｃｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第３５页）［１０］㊀ＺＨＡＯＣ，ＷＯＯＤＧＳ，ＸＩＥＪ，ｅｔａｌ．Ａｆｏｒｃｅｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｒｅｅｗｅａｋｌｙｃｏｕｐｌｅｄｒｅｓｏｎａｔｏｒｓｗｉｔｈｕｌｔｒａｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ＆ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡＰｈｙｓｉｃａｌ，２０１５，２３２：１５１－１６２．作者简介：修日（１９９４ ），硕士研究生，主要研究方向是基于模态局域化的微型电场传感器㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｉｕｒｉ＠ｍａｉｌ．ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ杨鹏飞（１９８６ ），讲师，博士，主要研究方向是微传感器与微系统㊁新型电学量传感器㊁低频电场探测㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｙａｎｇ３３０６５０５９１＠１２６．ｃｏｍ。
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使用多通道数据采集卡的实验方法
随着科技的不断进步，数据采集在许多领域中扮演着重要的角色。
多通道数据采集卡的出现，使得同时采集多个信号成为可能。
本文将介绍使用多通道数据采集卡的实验方法，帮助读者更好地了解和应用这一技术。
1. 什么是多通道数据采集卡
多通道数据采集卡是一种硬件设备，用于采集多个信号。
它通常包括多个输入通道、模拟至数字转换器（ADC）、时钟源和接口等组件。
通过连接传感器、测量设备等到不同的通道上，数据采集卡可以将多个信号同时转换为数字信号，并提供给计算机进行存储、处理和分析。
2. 数据采集前的准备工作
在进行实验之前，我们需要做一些准备工作。
首先，明确实验目的和所需的采集信号类型。
例如，如果需要监测温度和湿度，我们需要选择合适的传感器，并将它们连接到数据采集卡的相应通道上。
其次，确保数据采集卡和计算机之间的连接正常。
一般来说，数据采集卡通过USB、PCIe等接口与计算机连接。
根据设备型号和接口类型，我们可以选择合适的连接线缆，并确保稳定的连接。
另外，对于模拟信号的采集，我们需要进行校准和滤波处理。
校准可以提高信号的测量精度，滤波处理可以减少噪音对信号的干扰。
因此，在实验开始之前，我们应该对采集卡的设置进行调整，并根据需要进行校准和滤波操作。
3. 实验过程及应用案例
在实验过程中，我们可以使用软件或编程语言来控制和接收数据。
许多数据采集卡提供了自带的软件，可以用于实时数据监测和保存。
此外，我们也可以使用LabVIEW、Python等编程语言进行数据采集和处理。
对于应用案例，我们以心电信号采集为例进行说明。
在实验中，我们可以将心
电传感器连接到多通道数据采集卡的相应通道上，然后通过软件接收和记录心电信号。
通过设置采样频率和时间间隔，我们可以获取不同时间段内的心电数据。
然后，我们可以使用信号处理算法对心电信号进行滤波、去噪、心律分析等操作，以获得更有用的信息。
除了心电信号的采集，多通道数据采集卡还可以应用于许多其他领域，如振动
分析、声音信号处理、工业自动化等。
通过合理选择传感器和实验参数，并结合适当的数据处理方法，我们可以从复杂的多通道信号中提取出有价值的信息。
4. 数据后处理和分析
实验结束后，我们需要对采集到的数据进行后处理和分析。
根据实验目的，可
以选择合适的数据处理算法和统计手段。
例如，我们可以使用MATLAB进行时域
分析、频域分析、相关性分析等，并画出相应的图表和曲线。
此外，我们还可以使用Python的科学计算库进行数据可视化和机器学习等分析。
5. 实验安全和注意事项
在进行实验时，我们需要注意实验安全和数据完整性。
首先，合理安装和连接
设备，确保实验仪器和电路的正常运行。
其次，遵守实验操作规范，避免人为失误和操作不当导致的事故。
最后，及时备份和保存数据，以防止数据丢失和损坏。
总结
多通道数据采集卡为科学研究和工程应用提供了便利。
通过了解和应用多通道
数据采集卡的实验方法，我们可以更好地进行信号采集、处理和分析，为解决实际问题和提升应用价值提供有力支持。
希望本文能够帮助读者更好地理解和应用多通道数据采集卡的实验方法。