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首頁 技術(shù)動態(tài)

32通道PCIe高速采集存儲與信號分析系統(tǒng)

2016-03-28 14:10:00 

一,、概述

32路PCIE高速采集存儲

32路同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以完成32路數(shù)據(jù)的同步采集,、存儲以及實(shí)時信號處理等功能,，適用于實(shí)驗(yàn)室振動狀態(tài)在線檢測、噪聲檢測,、溫度試驗(yàn),、環(huán)境試驗(yàn),、雷管引爆延遲時間檢測等應(yīng)用。
32路同步數(shù)據(jù)包括單個板卡通道之間的同步和多個板卡之間的同步,，同步后的數(shù)據(jù)先存在板載DDR3,，再通過PCIe接口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，如果采集的是瞬態(tài)信號,，可以使用Standard模式,，可以把數(shù)據(jù)都存儲在板載DDR3上，但要求采集的數(shù)據(jù)不能超過板載DDR3存儲容量,；如果采集的是連續(xù)信號，可以使用FIFO模式,，數(shù)據(jù)可以一邊存儲在DDR3上，一邊把數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī),，存儲的時間的長短受限于磁盤容量的大小,。
PCIe高速采集存儲系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊,、高速數(shù)據(jù)存儲模塊,、GPU實(shí)時處理模塊、便攜式工控機(jī)等部分組成,?？梢詫?shí)現(xiàn)信號的實(shí)時采集存儲，并且通過調(diào)用Window API的方式實(shí)現(xiàn)了比一般方式更快的數(shù)據(jù)存儲速度,。
二、應(yīng)用方向
  • 雷達(dá)方向

具備多次觸發(fā)的連續(xù)數(shù)據(jù)流模式

可長時間進(jìn)行雷達(dá)信號仿真和模擬

  • 超聲方向
具備多次觸發(fā)的連續(xù)數(shù)據(jù)流模式
觸發(fā)間底死區(qū)時間（<80ns）
  • 通信方向
時域和頻域分析
高級顯示模式
  • 航空航天方向
高采樣率和高分辨率
連續(xù)數(shù)據(jù)流存儲
超高的數(shù)據(jù)傳輸速度（>3.4GB/s）
  • 天文方向
高采樣率和高分辨率
時域和頻域分析
低噪聲模擬信號調(diào)理電路
  • 聲學(xué)方向
低噪聲與高分辨率

高SNR（>90dB）與SFDR（>105dB）

上百個同步通道
  • 半導(dǎo)體測試方向

高SNR（>90dB）與SFDR（>105dB）

功能齊全的模擬信號調(diào)理電路
  • 激光方向
5GS/s采樣率與寬帶寬
板載分塊統(tǒng)計,、峰值檢測功能
三,、術(shù)語說明
四、環(huán)境說明
硬件平臺
  • 便攜式工控機(jī)

微星X99A SLI PLUS主板

Intel i7-5820k 處理器

金士頓 8GB DDR4 內(nèi)存x4

  • 數(shù)據(jù)采集模塊：

pcie高速采集存儲

Spectrum M2i.4912：8通道,，16bit,，10MS/s采樣率AD采集卡

±200mV到±10V軟件可調(diào)增益設(shè)置

50歐姆或1M歐姆輸入阻抗
板載高穩(wěn)定度采集時鐘發(fā)生器，支持外時鐘和外觸發(fā)同步輸入

PCIe2.0 x1接口

512MB板載內(nèi)存
Star-Hub實(shí)現(xiàn)多板卡同步:

多板卡同步

  • GUP實(shí)時處理模塊：

lGUP實(shí)時處理模塊

NVIDIA GeForce GTX 980

Maxwell架構(gòu)

支持CUDA 并行處理

CUDA處理器核心達(dá)2048
  • 數(shù)據(jù)存儲模塊

4TB RAID0磁盤陣列

連續(xù)存儲速度可達(dá)1.2GB/s

磁盤陣列由4塊1TB三星固態(tài)硬盤組成,，每個固態(tài)硬盤支持大500MS/s（實(shí)測）的寫入速度,，組成RAID0陣列后支持大1.2GB/s（實(shí)測）的寫入速度。RAID0磁盤沒有奇偶數(shù)目的要求,，數(shù)據(jù)被平均分割存儲到多個磁盤上,，總的讀寫速度就是磁盤數(shù)量乘以單個磁盤的讀寫速度，缺點(diǎn)在于一塊磁盤損壞,，則整個磁盤陣列即壞,，數(shù)據(jù)無法被修復(fù)。

軟件平臺
  • Win7 x64操作系統(tǒng)
  • SBench6操作軟件

Control Center：Control center是spectrum公司的專有的控制采集卡校準(zhǔn),、license激活,、底層kernel控制的軟件。啟動control center有Kernel Register Settings,，可以設(shè)置底層kernel開辟的物理連續(xù)地址空間,，用于DMA大數(shù)據(jù)量存儲使用。

lSBench6操作軟件

我們知道,，目前的操作系統(tǒng)中,，非常嚴(yán)格的把物理存儲空間、內(nèi)核存儲空間,、上層用戶存儲空間區(qū)分開來,。
Windows操作系統(tǒng)對內(nèi)存的管理是按照4kByte來進(jìn)行的。
對于軟件來說,，申請到的虛擬內(nèi)存都是通過內(nèi)存管理單元每4kByte來進(jìn)行分配的,。對于上位機(jī)軟件來說，分配1個很大的內(nèi)存空間,，在虛擬內(nèi)存上是連續(xù)的,，但是在物理地址上有可能是很多個獨(dú)立的4kByte組成的。

當(dāng)使用虛擬的內(nèi)存來進(jìn)行DMA傳輸數(shù)據(jù)的時候,，這個過程是非常復(fù)雜的,。

因?yàn)椋?/span>DMA傳輸數(shù)據(jù)是直接通過物理地址傳遞的，這樣DMA傳輸就得通過每個獨(dú)立的4kByte的頁來進(jìn)行傳輸,，這樣每次DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是在不同物理地址4kByte頁上切換到降低DMA傳輸?shù)男省?/span>

Spectrum kernel driver：Spectrum公司通過自己底層驅(qū)動,，可以通過軟件向底層申請開辟一段物理地址連續(xù)的地址空間，申請完,，需要重啟電腦,，重啟電腦，在PC機(jī)boot的過程中,，需要多花費(fèi)平時的80%的啟動時間,。

五、總體設(shè)計
硬件總體框架：

硬件總體框架

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在FIFO模式下數(shù)據(jù)的傳輸存儲速度主要受限于PCIE接口的傳輸速度與磁盤的寫入速度,。
本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡采用PCIex1 Gen2.0接口,，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)160MB/s。采集卡為16bit,，采樣率高為10MS/s,，這時單個采集卡在FIFO模式下需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為：
16bit/2*10MS/s*8=160MB/s

恰好達(dá)到PCIe接口的極限速度,。采集到的信號在寫入磁盤時總的數(shù)據(jù)量為：

160MB/s*4=640MB/s
寫入速度超過單個固態(tài)硬盤的寫入速度，但使用RAID0陣列時,，則可以滿足寫入的需求,。
六、高速存儲模塊

限制文件存儲速度的終瓶頸還是磁盤的固有特性,，我們所能做到只是改善軟件的實(shí)現(xiàn)去逼近硬盤的極限讀寫速度,。一般windows系統(tǒng)粘貼拷貝文件的時候，影響存儲速度地方就在于它利用了windows文件緩存機(jī)制,，當(dāng)你拷貝一個大文件時,，windows會根據(jù)你要拷貝的文件大小緩存很大一部分到系統(tǒng)緩存，這時候你會看到系統(tǒng)緩存瞬間飆漲,，機(jī)器性能大大降低,，所以我們要避免使用windows緩存機(jī)制，并且盡量讀寫連續(xù)的文件塊,。

利用Window API讀寫文件

一般來說,，我們操作一個windows I/O句柄用的是windows文件讀寫系列API：CreateFile, ReadFile, WriteFile等，這些API不僅可以讀寫文件句柄,，所有的I/O設(shè)備句柄都能通過這些API來操作,。比如socket描述符, 串口描述符，管道描述符等,。通過設(shè)置他們的參數(shù),，我們可以選擇以不同的方式操作IO。

對于讀寫速度,，重要的是dwFlagsAndAttrib參數(shù),，FILE_FLAG_NO_BUFFERING指示系統(tǒng)不使用快速緩沖區(qū)或緩存，當(dāng)和FILE_FLAG_OVERLAPPED組合,，該標(biāo)志給出大的異步操作量,，因?yàn)?/span>I/O不依賴內(nèi)存管理器的異步操作。然而,，一些I/O操作將會運(yùn)行得長一些,，因?yàn)閿?shù)據(jù)沒有控制在緩存中。
當(dāng)使用FILE_FLAG_NO_BUFFERING打開文件進(jìn)行工作時,，程序必須達(dá)到下列要求：

1. 文件的存取開頭的字節(jié)偏移量必須是扇區(qū)尺寸的整倍數(shù),。

2. 文件存取的字節(jié)數(shù)必須是扇區(qū)尺寸的整倍數(shù)。例如,，如果扇區(qū)尺寸是512字節(jié),。程序就可以讀或者寫512，1024或者2048字節(jié),，但不能夠是335,981或者7171字節(jié),。

3. 進(jìn)行讀和寫操作的地址必須在扇區(qū)的對齊位置,，在內(nèi)存中對齊的地址是扇區(qū)。尺寸的整倍數(shù),。一個將緩沖區(qū)與扇區(qū)尺寸對齊的途徑是使用VirtualAlloc函數(shù),。

它分配與操作系統(tǒng)內(nèi)存頁大小的整倍數(shù)對齊的內(nèi)存地址.這塊內(nèi)存在地址中同樣與扇區(qū)尺寸大小的整倍數(shù)對齊。程序可以通過調(diào)用GetDiskFreeSpace來確定扇區(qū)的尺寸,。
高速采集存儲配置
為了實(shí)現(xiàn)高速采集存儲，此處用到了windows多線程編程,，一個線程接收板卡采集到的數(shù)據(jù),，一個線程負(fù)責(zé)寫文件。為了保證存儲文件的速度需要連續(xù)寫入大文件,，通過申請兩個大小相同的buffer,，執(zhí)行ping-pang寫文件操作。

高速采集存儲配置

Buf0和Buf1收發(fā)數(shù)據(jù)為ping-pang原理,，Buf0和Buf1的狀態(tài)為empty和full,，當(dāng)數(shù)據(jù)通過TX DMA讀出后，Buf的狀態(tài)置為empty,，當(dāng)數(shù)據(jù)通過RX DMA寫入后,，Buf的狀態(tài)置為full。RX DMA和TX DMA的狀態(tài)分別有WrBuf0,，WrBuf1,，RdBuf0，RdBuf1,，OpCmpt,，NotStart，TXHungry0,，TXHungry1幾種狀態(tài),。

對于ADC接收數(shù)據(jù)方向，RX DMA寫buf0產(chǎn)生完成中斷后,，首先開始寫buf1操作,，然后建立寫buf0的DMA接收鏈表。同樣當(dāng)RX DMA寫buf1產(chǎn)生完成中斷后,，首先開始寫buf0操作,，然后建立寫buf1的DMA接收鏈表。

對于PCIE發(fā)送數(shù)據(jù)方向,，TX DMA讀buf0產(chǎn)生完成中斷后,，首先開始讀buf1操作，然后建立讀buf0的DMA發(fā)送鏈表,。同樣當(dāng)TX DMA讀buf1產(chǎn)生完成中斷后,，首先開始讀buf0操作,，然后建立讀buf1的DMA發(fā)送鏈表。
根據(jù)PC機(jī)實(shí)際內(nèi)存大小,，設(shè)置相應(yīng)的buffer大小,，buffer需要盡可能大。通過API工程里面的宏定義設(shè)置buffer的大小,。

buffer的大小

另外幾個與高速存儲相關(guān)的API如下圖：

與高速存儲相關(guān)的API

nQTStoreInit輸出參數(shù)為板卡信息塊,，通過調(diào)同此接口申請好Ping-Pang buffer，由于運(yùn)行時間較長,，所以建議放置在配置過程中執(zhí)行,。nQTStoreData創(chuàng)建好文件，并且開始采集存儲,。在執(zhí)行了一段時間的采集后可以通過調(diào)用nQTStoreStop來停止采集和存儲,。值得注意的是程序通過Ping-Pang機(jī)制存儲所以會導(dǎo)致后得到的文件大小是Buffer大小的整數(shù)倍，但是會保證上位機(jī)獲取到的數(shù)據(jù)全部都存入到文件中,。為了實(shí)現(xiàn)循環(huán)開始存儲,，停止存儲操作，避免此過程中內(nèi)存的重復(fù)申請與釋放導(dǎo)致降低效率,，把內(nèi)存釋放的操作以下API中：

nQTStoreInit輸出參數(shù)為板卡信息塊

程序運(yùn)行

在程序運(yùn)行的結(jié)尾,，通過調(diào)用nQTFreeMemrory來釋放Ping-Pang buffer的內(nèi)存。這樣就完成了從打開板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)存儲到工控機(jī)硬盤中的全過程,。
與一般存儲方式速度對比
一般存儲方式通過調(diào)用C語言中的fwrite進(jìn)行寫數(shù)據(jù)的操作，但這樣的方式在數(shù)據(jù)量巨大的情況下與Writefile這種調(diào)用Windows API方式進(jìn)行對比時速度差異明顯,，在使用Writefile方式進(jìn)行大量數(shù)據(jù)寫入時速度可逼近硬盤的寫入速度,。
下圖為寫入1GB數(shù)據(jù)時使用fwrite進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作時實(shí)測的速度：

寫入1GB數(shù)據(jù)時使用fwrite進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作時實(shí)測的速度

寫入1GB數(shù)據(jù)時使用fwrite進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作時實(shí)測的速度

下圖為寫入1GB數(shù)據(jù)時使用WriteFile進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作時實(shí)測的速度：

寫入1GB數(shù)據(jù)時使用fwrite進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作時實(shí)測的速度

寫入1GB數(shù)據(jù)時使用WriteFile進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作時實(shí)測的速度

由圖中測試數(shù)據(jù)可知，使用WriteFile進(jìn)行寫數(shù)據(jù)時速度可達(dá)1193.46MB/s,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于使用fwrite時669.146MB/s的寫入速度,。當(dāng)寫入的數(shù)據(jù)量越大時，WriteFile的優(yōu)勢越明顯,，直至逼近磁盤陣列的極限速度,。
七、GPU分析處理模塊
NVIDIA GPU介紹

GPU內(nèi)存管理

圖形處理單元CPU英文全稱Graphic Processing Unit,，GPU是相對于CPU的一個概念,，NVIDIA公司在1999年發(fā)布GeForce256圖形處理芯片時首先提出GPU的概念。GPU使顯卡減少了對CPU的依賴,，并進(jìn)行部分原本CPU的工作,，主要是并行計算部分。CPU具有強(qiáng)大的浮點(diǎn)數(shù)編程和計算能力，在計算吞吐量和內(nèi)存帶寬上,，現(xiàn)代的GPU遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過CPU,。
使用NVIDIA CUDA Fast Fourier Transform Library提供了一個簡單計算FFT運(yùn)算的接口，而不用用戶自己實(shí)現(xiàn)FFT算法,。
GPU內(nèi)存管理

lCPU FFT分析

Host：將CPU及系統(tǒng)的內(nèi)存稱為主機(jī)
Device：將GPU及GPU本身的顯示內(nèi)存稱為設(shè)備

cudaMalloc()： 與C語言中的malloc函數(shù)一樣,，用戶函數(shù)分配線性內(nèi)存空間。

cudaMemcpy()：與C語言中的memcpy函數(shù)一樣,，只是此函數(shù)可以在主機(jī)內(nèi)存和GPU內(nèi)存之間互相拷貝數(shù)據(jù),。

cudaFree()：與C語言中的free函數(shù)一樣，只是此函數(shù)釋放的是

cudaMalloc：分配的內(nèi)存,，主要用于釋放線性內(nèi)存空間,。

CPU與GPU進(jìn)行FFT分析速度對比
lCPU FFT分析
MATLAB對10M Sample的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，時間0.594697s,，如下圖：

CPU與GPU進(jìn)行FFT分析速度對比

lGPU FFT分析
使用GPU進(jìn)行FFT計算，FFT點(diǎn)數(shù)10M Sample,，運(yùn)行時間0.00006175s,。

lGPU FFT分析

對GPU FFT運(yùn)算之后的結(jié)果，10M個實(shí)部real和10M個虛部imag,，用MATLAB進(jìn)行仿真,，如下圖：

用MATLAB進(jìn)行仿真

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