大型物理實(shí)驗(yàn)裝置在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高速粒子的碰撞，從而產(chǎn)生極短的電磁脈沖,，其頻率極高,。若采用客戶(hù)最容易想到的數(shù)字示波器方案，將無(wú)法滿(mǎn)足后端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與信號(hào)處理需求,。此外,，監(jiān)測(cè)多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，需要數(shù)百個(gè)通道之間保持極高的同步性,，這意味著即使采用大量的多通道緊湊型數(shù)字示波器組網(wǎng),，也會(huì)面臨高昂的成本與復(fù)雜的同步問(wèn)題。
另一方面,，實(shí)驗(yàn)中的瞬態(tài)現(xiàn)象對(duì)多通道采集同步性提出了嚴(yán)苛要求,。特別是實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高頻電磁脈沖和瞬態(tài)磁場(chǎng)，可能導(dǎo)致傳統(tǒng)電纜傳輸?shù)挠|發(fā)信號(hào)失真,。因此,，需要采用光纖傳輸或其他信號(hào)隔離技術(shù)，確保同步信號(hào)的完整性,。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需求,，系統(tǒng)需要同步采集多種物理量（如電磁場(chǎng)、光譜輻射,、粒子通量等）,，同時(shí)具備跨頻段、跨量綱的同步觸發(fā)與時(shí)間戳對(duì)齊能力,。這些高要求對(duì)于數(shù)字示波器的方案而言,，非常困難。
結(jié)合上述兩方面的要求,，可以判斷需采用多臺(tái)數(shù)字化儀構(gòu)建分布式采集陣列,，并最終形成一套復(fù)雜而龐大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，具體理由參見(jiàn)表1。數(shù)字化儀采集陣列,，顧名思義由多臺(tái)數(shù)字化儀構(gòu)成,，適用于需要多通道高精度同步采集的環(huán)境，特別適用于大型物理實(shí)驗(yàn),、核聚變,、陣列雷達(dá)、MIMO等需要多通道采集的應(yīng)用場(chǎng)合,。
表1 數(shù)字化儀采集陣列的優(yōu)勢(shì)可同時(shí)滿(mǎn)足上述需求
最后還有一點(diǎn),，即普通臺(tái)式儀器通常需額外配置GPS或IEEE1588同步模塊才能達(dá)到μs級(jí)同步，普通PCIe等模塊化儀器在配備性能良好的時(shí)鐘同步板后才能達(dá)到ns級(jí)同步,，而VPX架構(gòu)采用背板級(jí)參考時(shí)鐘分發(fā)系統(tǒng)則可實(shí)現(xiàn)ps級(jí)同步,。由于該實(shí)驗(yàn)所需的采集通道數(shù)以千計(jì)，通道之間的同步問(wèn)題非常嚴(yán)峻,，因此必須選擇基于VPX架構(gòu)的方案,。事實(shí)上，VPX架構(gòu)本身就具備高性能,、高可靠性和模塊化的特點(diǎn),，所以在航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用,。
由此可見(jiàn),，采用基于VPX架構(gòu)的數(shù)字化儀采集陣列應(yīng)該可以滿(mǎn)足本項(xiàng)目嚴(yán)苛的技術(shù)指標(biāo)要求，是應(yīng)對(duì)該項(xiàng)目技術(shù)挑戰(zhàn)的最優(yōu)解決方案,。
坤馳科技設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)上架式機(jī)柜部署（參見(jiàn)圖1），核心組件包括：
多臺(tái)采集機(jī)箱： 基于高性能模塊化架構(gòu)（參見(jiàn)圖2）,，每個(gè)槽位插入高速數(shù)字化儀模塊,。
集中式同步機(jī)箱： 為整個(gè)系統(tǒng)提供統(tǒng)一、高精度的時(shí)鐘源和觸發(fā)源（參見(jiàn)圖3）,。
光纖交換網(wǎng)絡(luò)： 實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的高速,、抗干擾傳輸至后端處理單元。
光譜信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換設(shè)備接入采集機(jī)箱,，系統(tǒng)通過(guò)集中式同步機(jī)箱確保所有采集通道的嚴(yán)格時(shí)間同步,。后端采用光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，用戶(hù)可通過(guò)Web版統(tǒng)一控制軟件對(duì)所有采集設(shè)備進(jìn)行配置,、監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析,。
圖1. 上架式機(jī)柜實(shí)物圖
圖2. 基于VPX架構(gòu)的采集機(jī)箱（示意圖）
系統(tǒng)中最核心的是采集部分，具有以下特點(diǎn)：
● 每臺(tái)采集機(jī)箱基于高性能模塊化架構(gòu),，通過(guò)背板高速總線（如PCIe）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,。
● 采用的坤馳科技自研高速數(shù)字化儀模塊,，具備高采樣率（1GS/s及更高）、高分辨率（14位）,、多通道（例如本項(xiàng)目采用2通道） 同步采集能力,。
●單機(jī)箱可擴(kuò)展支持?jǐn)?shù)十通道同步采集，系統(tǒng)可通過(guò)增加機(jī)箱靈活擴(kuò)展至數(shù)百通道（圖4示意了一個(gè)小規(guī)模的系統(tǒng)）,。
● 數(shù)字化儀基于高性能FPGA架構(gòu),，支持定制化算法開(kāi)發(fā)與實(shí)時(shí)處理。
圖4. 系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖
高精度同步采集：為保證多通道高精度同步采集,，如前文所述,，需在硬件層面采用外部時(shí)鐘板為整套系統(tǒng)提供統(tǒng)一時(shí)鐘源，并采用外部觸發(fā)板為整個(gè)系統(tǒng)采集提供統(tǒng)一觸發(fā)源,，最終保證采集的同步精度,。再通過(guò)軟件層面對(duì)數(shù)字域信號(hào)進(jìn)行相位對(duì)齊校準(zhǔn)，完善硬件層由芯片自身特性帶來(lái)的確定性延遲,，最終實(shí)現(xiàn)該多通道高精度采集陣列的時(shí)間同步優(yōu)于200ps,。
創(chuàng)新技術(shù)架構(gòu)：坤馳科技提供完整的軟硬件協(xié)同解決方案（如圖5所示），不僅能夠顯著降低客戶(hù)的二次開(kāi)發(fā)成本,，而且具有以下創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)：
①軟件采用Web界面設(shè)計(jì)（如圖6所示）,，可用性、安全性及可擴(kuò)展性更高,；
②大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理技術(shù)可輕松應(yīng)對(duì)高速采集的海量數(shù)據(jù),；
③大量采用開(kāi)源技術(shù)和代碼，不會(huì)受制于外部制裁和干擾,；
④云原生架構(gòu)的容器化部署,、微服務(wù)化設(shè)計(jì)和自動(dòng)化運(yùn)維等技術(shù)可做到更快交付；
⑤用戶(hù)終端免部署,，采用瀏覽器即可對(duì)系統(tǒng)狀態(tài),、采集任務(wù)、采集數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行管理查看,，方便易用,。
圖6. Web應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件界面
