TS高速數(shù)字化儀板卡數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的優(yōu)化策略

板卡式數(shù)字化儀，也成為ADC板卡，目前廣泛應(yīng)用于科研、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。它的工作就是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析。而在使用這些數(shù)字化儀板卡的過程中，我們的用戶可能會(huì)遇到一些疑問，例如：

“如何處理多張數(shù)字化儀板卡上多通道同步采回來的大量數(shù)據(jù)？”

“我想使用連續(xù)高速的流模式進(jìn)行采集，但我不太確定我是否應(yīng)該把所有的原始數(shù)據(jù)都保存到硬盤，以及我需要什么樣的電腦配置才能完成這個(gè)保存？”

“數(shù)字化儀是如何將采集到的數(shù)據(jù)直接高速傳輸?shù)絇C環(huán)境中？”

本文將針對(duì)以上這類問題進(jìn)行解答，以幫助用戶更好地理解和使用數(shù)字化儀。

一、問題背景

首先，我們需要明確一點(diǎn)，這些疑問并不是沒有理由的。我們的高速采集卡在連續(xù)采集的過程中，確實(shí)會(huì)產(chǎn)生的非常大的數(shù)據(jù)量，尤其當(dāng)用戶使用多張采集卡同步采集時(shí)，這個(gè)數(shù)據(jù)量還會(huì)進(jìn)一步翻倍。

舉例來說，250 MS/s采樣率、16 bit分辨率的4通道板卡，1秒鐘就會(huì)生成2 GB的數(shù)據(jù)量，再增加一張相同的卡就會(huì)變成4 GB的數(shù)據(jù)量。順帶一提，我們單張采集卡最高使用PCIe Gen2 x8接口，能做到3.4 GB/s的持續(xù)數(shù)據(jù)流速度。

下面，我們會(huì)針對(duì)這個(gè)問題分情況進(jìn)行討論。

（一）總數(shù)據(jù)量較少

如果需要持續(xù)采集時(shí)間較短，總數(shù)據(jù)量能控制在工控機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存（RAM）容量大小范圍內(nèi)，那確實(shí)可以不執(zhí)行額外的優(yōu)化動(dòng)作，以最大化節(jié)省測試程序的開發(fā)時(shí)間。

在這種條件下，不管是先運(yùn)算處理后保存，還是直接保存，由于有充足內(nèi)存空間作為緩沖，對(duì)CPU和硬盤速度的要求都較低，主流PC級(jí)別的性能即可滿足需求。

（二）總數(shù)據(jù)量較多

而如果是更長時(shí)間的采集，我們一般推薦兩種優(yōu)化處理方式：第一種是快速處理，并少量存儲(chǔ)；第二種是少量處理，并快速存儲(chǔ)。

1.快速處理，少量存儲(chǔ)

整體實(shí)現(xiàn)思路如下：盡可能立即把生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后僅保留核心結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，大量的原始數(shù)據(jù)在處理完后直接丟棄以釋放內(nèi)存空間，并降低存儲(chǔ)性能的要求。

由于分析處理涉及到的處理算法可能較為復(fù)雜，對(duì)于CPU而言，大概率會(huì)存在并行處理的能力瓶頸，因此我們更加推薦用CUDA專業(yè)卡進(jìn)行高速的并行運(yùn)算。在專業(yè)計(jì)算卡RDMA特性的幫助下，CUDA GPU可以不經(jīng)過CPU直接從數(shù)字化儀板卡中獲取數(shù)據(jù)并處理，最后把關(guān)鍵結(jié)果返回到CPU和內(nèi)存中，CPU再進(jìn)一步將結(jié)果保存到硬盤或轉(zhuǎn)發(fā)至其他需要的位置即可。

使用這種優(yōu)化方式的一類典型用戶就是射電天文學(xué)課題組，他們希望能夠不斷采集最新的，來自太空的無線電波。他們就會(huì)傾向于直接將數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)紾PU，并通過GPU完成濾波、高速的FFT以及分析處理，找到關(guān)鍵的頻域信息結(jié)果再保存。

此外，在用戶想要持續(xù)掃描和分析類似信號(hào)（比如信號(hào)監(jiān)視，雷達(dá)等）的其他應(yīng)用，這個(gè)思路也同樣適用。典型的應(yīng)用還包括處理激光雷達(dá)系統(tǒng)、掃描聲學(xué)顯微鏡和醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)（核磁共振、超聲、PET掃描儀、OCT等）收集的大量數(shù)據(jù)。

2.少量處理，快速存儲(chǔ)

整體實(shí)現(xiàn)思路如下：盡可能減少處理甚至不作不處理，直接存儲(chǔ)歸檔，供日后分析處理。

這種方式對(duì)存儲(chǔ)容量和速度有很高的要求，即使是最新的nvme固態(tài)也無法承受長時(shí)間大量數(shù)據(jù)的持續(xù)寫入，因此一般需要使用RAID陣列進(jìn)行存儲(chǔ)。針對(duì)容量要求更大的場景，可能還會(huì)需要通過高速以太網(wǎng)，傳輸至專門的存儲(chǔ)服務(wù)器進(jìn)行保存。

核心的注意事項(xiàng)有兩點(diǎn)：

(1)保證存儲(chǔ)速度能趕上數(shù)據(jù)生成速度

(2)保證可用存儲(chǔ)空間能存下預(yù)計(jì)生成的數(shù)據(jù)

使用這種優(yōu)化方法的客戶通常是專注于某個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的研發(fā)工程團(tuán)隊(duì)，整個(gè)測試過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量可以高達(dá)幾十個(gè)TB。

根據(jù)我們的統(tǒng)計(jì)，比較常見的場景包括質(zhì)量控制（他們希望長時(shí)間監(jiān)控某些參數(shù)以驗(yàn)證系統(tǒng)是否始終符合要求）、航空航天和國防工業(yè)（監(jiān)視、跟蹤和分析物體或系統(tǒng)的變化）和通信等領(lǐng)域。此外，我們也見過有一些客戶需求是想要連續(xù)存儲(chǔ)掃描系統(tǒng)中的原始超聲信號(hào)。在完成存儲(chǔ)后，用戶就會(huì)先后使用不同的算法來處理數(shù)據(jù)，然后從中提取特定信息，并試著尋找其他潛在內(nèi)容。

三、TS高速數(shù)字化儀

TS數(shù)字化儀采樣率高達(dá)5GS/s，可支持128個(gè)通道同步采集，具有8/12/14/16位模擬分辨率，符合目前最常用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包含LXI、PCIe、PXIe，配套軟件可以使用產(chǎn)品示波器、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、頻譜分析儀、邏輯分析儀、碼型發(fā)生器、數(shù)據(jù)流系統(tǒng)（FIFO）和瞬態(tài)記錄儀等多種儀器功能。

四、結(jié)論

總的來說，數(shù)字化儀作為一種強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，能夠幫助用戶高效地處理和分析大量數(shù)據(jù)。若想要發(fā)揮它的最大作用，用戶需要選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)方式，而這具體取決于用戶的實(shí)際項(xiàng)目需要，以及被采集信號(hào)的特性。希望本文能夠幫助用戶更好地理解和使用數(shù)字化儀，提高數(shù)據(jù)采集和處理的效率。

審核編輯 黃宇