基于VXI总线的水声基阵信号采集与分析

　　1 引言

　　阵列信号处理作为数字信号处理领域的一个重要分支, 广泛应用于雷达、声纳、通信和地震勘探等众多领域。在水声学应用中, 构建一套水声换能器阵列信号采集及分析系统在外场试验、自导系统信号处理机的设计与研制以及信号处理理论与算法研究等方面具有重要意义。笔者结合虚拟仪器技术, 开发了一套基于VXI(VMEbus eXtensions for Instrumentation)总线的32通道、196KSample/s的阵列信号采集及实时数据记录系统, 对采集数据进行相应的阵列信号分析处理, 并将其应用于水声设备阵列信号的采集与分析。

　　2 系统硬件集成

　　根据测试需求分析, 系统主要用于海上和湖上等外场实验, 系统硬件集成选用VXI总线的模块化商业仪器[1], 它集测量、计算、通信功能于一体, 具有易于集成、占用空间小、数据传输速率高和兼容性好等显著优点, 是集成自动测试系统的首选方案。系统的基本硬件组成框图如图1所示。

　　2.1 系统控制器

　　系统集成时选用NI公司的VXI-12006槽C尺寸和3槽B尺寸VXI总线主机箱。控制器采用外挂式控制器连接, 通过MXI-2总线将上位计算机的PCI总线与VXI总线耦合起来[2], 具有较高的随机读写和字串行性能, 峰值传输速率33MByte/s, 持续传输速率23MByte/s。使用B尺寸零槽作为系统零槽控制器管理系统硬件资源, 可节省一个C尺寸插槽。

　　2.2 采集模块

　　采集模块使用HP公司的C尺寸8通道( 每通道196 KSample/s)的数字化仪HP E1433A[3], 它具有16bit垂直精度, 板上集成信号调理、抗混叠保护和测量计算功能, 存储空间为32MByte。HP E1433A 每通道一个24 bit 定点DSP, 用于数字抽取和可编程数字滤波, 广泛应用于机械、声学和电气测试等领域。HP E1433A 具有2套总线传输数据:VXI系统总线(VME总线)和专用高速局部总线。VXI系统总线提供数据到上位计算机通道, 但如果系统中较多模块使用VXI系统总线将造成总线阻塞, 这可能会丢失数据, 因此在数据吞吐量较大时, 系统总线用来监控采集过程。为了连续进行高速数据传输, VXI总线提供了一种专用的局部总线(local bus), 它不占用VXI 系统总线的带宽, 因此传输性能不受上位计算机和其他VXI模块间数据传输的影响。HPE1433A 可以连续以大于7.5MSample/s(15 MByte/s) 的速度通过局部总线向HPE1562E SCSI总线硬盘传输数据, 可以实现4块HPE1433A 构成的阵列信号采集系统, 完成高速连续数据采集并实时记录数据。

　　2.3 实时数据记录

　　HP E1562E[4]是两插槽C尺寸VXI总线高速小型计算机系统接口(Small Computer SystemInterface, SCSI)接口数据记录模块, 包含2块4GByte 高速SCSI总线硬盘, 也可通过前面板的两个SCSI总线接口扩展SCSI硬盘, 提高系统的存储量。HP E1562E从专用的高速局部总线接收HPE1433A的采集数据, 通过两条高速SCSI总线传输到硬盘完成实时记录采集数据。此外,HP E1562E 可通过VXI系统总线将SCSI硬盘中的数据传输到上位计算机硬盘中, 来实现采集数据共享和对采集数据的分析和处理等。