基于PXIe總線的多通道高速數據采集流盤系統

　　摘要：針對當今測試項目中對大量試驗數據的采集與處理的需求，本文設計實現了基于PXIe總線和RAID0磁盤陣列的多通道高速數據采集流盤系統。系統以虛擬儀器技術作為基礎，結合LabVIEW 2009作為開發平臺，實現了以最高3.3MS/s采樣率對64通道數據進行連續采樣和實時存盤的功能，同時介紹了TDMS格式在高速數據流盤時的優點，為開發多通道、高采樣率、大量數據實時存盤系統的工程師提供了一套具有可靠性、適應性、靈活性和拓展性的解決方案，具有一定的參考價值。

　　關鍵詞：PXIe總線 磁盤陣列 數據采集 DAQmx LabVIEW TDMS

　　1. 引言

　　隨著測控技術的發展及其應用范圍的不斷擴大，數據采集方法及存儲技術在內容和形式上都發生了巨大的變化。在此過程中，多通道、高采樣率以及大量數據實時存盤的測試需求對現有的測試系統提出了挑戰，如何將測試過程中的大量數據進行有效的存儲和分析，成為工程師們首先要考慮的問題。本文介紹了基于PXIe總線的數據采集卡和RAID0磁盤陣列的組合，并結合LabVIEW 2009作為開發平臺，以柔性測試技術為指導，為讀者提供了一個多通道、高采樣率、大量數據實時存儲的數據采集系統的解決方案。

　　2. 現狀

　　目前，多通道、高采樣率的數據采集卡市場上普遍存在，這類采集卡會瞬間產生大量的試驗數據，現階段數據的存儲介質以SATA接口硬盤為主，而SATA接口的硬盤又受到系統總線帶寬的限制，如PCI總線為133MB/s，PCIe總線最高為4GB/s，PXIe總線最高為6GB/s。因此，若要構建一個具有可靠性、適應性、靈活性和拓展性的多通道、高采樣率、數據實時存盤的系統，那么系統總線、數據傳輸方式、系統軟件架構、硬件的技術指標則非常重要。

　　3. 系統方案

　　為構建多通道、高采樣率、數據實時存盤測試系統，我們的系統方案從軟件和硬件兩個方面分別闡述。

　　3.1 硬件系統

　　硬件平臺以NI的PXI為基礎。PXI平臺比較成熟的多通道、高采樣、大量數據存盤的方案是：PXIe數據采集卡+RAID磁盤陣列，此方案最高的數據吞吐量為：400-600MB/s，完全滿足此類系統的構建，確保系統運行的可靠性。

　　3.2 軟件系統

　　軟件平臺以NI的LabVIEW 20 DAQmx9.0為基礎。LabVIEW 2009中提供了新一代數據存儲格式TDMS 2.0，最高存儲速度為400MB/s，以超強適應性來滿足數據采集過程中瞬間產生的大量數據，確保系統大量數據實時存儲的要求。

　　3.2.1 軟件架構

　　軟件架構的高效與否將直接影響到程序的執行效率，得益于多核處理器和LabVIEW的多線程運行機制，工程師可以利用不同的線程完成對輸入信號的采集、處理、存儲的功能，通過提高軟件構架的靈活性來提高程序執行效率，使PXI系統發揮最大的性能。

　　3.2.2 數據存儲類型

　　通常在采樣率較小、數據量較小的情況下，可選擇直接讀取DBL數據。而當采樣率較高、數據量較大時，可采用Raw 1D I16或者2D I16的格式讀取測量數據。其中，1D I16占用內存最小，每個采樣點占用2Byte內存，而每個DBL采樣點要占用8Byte內存，因此在數據量較大時，采用I16格式可以顯著減少內存和CPU占用率。兩種格式各有所長，不同情況下均可以發揮優勢，使系統具有超強適應性及靈活性。

　　3.2.3 數據傳輸機制

　　采用IRQ或DMA傳輸采集數據可以極大減少CPU的占用率，從而全面提高系統的性能。

　　3.2.4 數據存儲方式

　　通常情況下，系統處理文件操作的API函數分配的緩沖區太小，在讀取大文件時性能較低。依據靈活性原則，在編程過程中，可選用支持“禁用緩沖”模式的API函數，避免軟件流盤速度上的瓶頸。

　　LabVIEW 2009中支持非緩沖格式流盤的函數有TDMS、二進制以及Win32 API函數，開啟“禁用緩沖”可以顯著提高流盤的速度。

　　在LabVIEW 2009和DAQmx 9.0平臺下，可以利用DAQmx TDMS2.0集成流盤模塊DAQmx Configure Logging(TDMS)，

　　如圖1所示：

　　這個API函數效率更高且編程簡單，占用系統資源較少，直接將原始數據的和通道的標定信息從板卡通過DMA方式傳輸至硬盤，最高速度可達1.2GB/s。在采集的過程中，若不需要讀取通道的采樣值，可將本模塊的“操作”選為“記錄”，這樣，采樣值將被直接存儲為TDMS 2.0文件。如此靈活高效的存儲方式，恰如其分地詮釋了柔性測試技術所要求的靈活性。

　　4. 工程案例

　　某測試系統可以對系統中的64路信號進行同步采樣，最高可達到3.3MS/s采樣率(所有通道)下的實時存盤，同時還可以300KS/S(所有通道)進行實時數據顯示、存盤。

　　而PXI硬件系統選用NI的18槽3U PXIe-1075機箱，PXIe-8130控制器、PXIe-6124等，PXIe-6124每通道4MS/s同步采樣速率、16位分辨率、1個獨享模塊至控制器間帶寬的PXIe接口;數據存儲設備選用NI-8262及HDD-8264 組成的RAID0磁盤陣列，最高數據吞吐量可達600MB/s左右。

　　圖2所示為該系統的軟件主界面。

　　同時，該系統為用戶完善通道觸發功能，包括：模擬觸發、數字邊沿觸發、模擬參考觸發等，以滿足不同情況下的各種需求。此外，軟件采用狀態機框架結構和模塊化的編程風格，便于軟件功能的修訂和管理，充分實現柔性測試技術所要求的靈活性與拓展性。

　　程序框圖如圖3所示。

　　數據采集功能被封裝為功能模塊，通過DAQmx Configure Logging(TDMS) VI將測量數據實時保存至硬盤，減少了CPU及內存的使用率，提高了程序的執行效率，具體實現方法如圖4所示。

　　5. 結語

　　本文闡述了多通道、高采樣、實時數據存盤的實現方法及應注意的事項，以大量數據和一個系統實例為依據，深入分析了多通道高速數據采集的可靠性、適應性、靈活性以及拓展性等特點。通過介紹NI TDMS數據存儲格式，為工程師開發多通道、高采樣率、大量實時數據存盤測試系統的實現方法提供了參考。