[发明专利]一种可扩展多通道并行实时数据采集装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及数据采集装置研究领域，特别涉及一种可扩展多通道并行实时数据采集装置和方法。

背景技术

随着现代医学影像技术的发展，对获取病人病理信息的速度和准确度的要求越来越高，目前解决这一问题的主要方法是在成像设备上采用多个探测器，有时甚至是几百个探测器同时接收病理信号，这就要求有能对这几百个探测器接收的数据进行实时的、并行处理大规模的数据处理系统。然而，受到高速布板工艺及数据处理规模的限制，目前不可能实现把这几百个探测器接收的数据传输到一个采集板卡上进行处理，普遍做法是分成几个采集板卡来处理，然后再分别上传到计算机进行最后的成像。因此，要求设计的采集板卡易于扩展，各板卡的采样时钟要严格同步，最后能利用总线技术分时复用将数据上传到计算机。

对于采集到的大量数据，一般都会先经过信号调理，具体包括放大、滤波等处理方法。这些处理方法有的可以通过硬件来实现，有的则必须通过软件算法来实现。如果这些算法全部通过计算机的控制器来完成，会降低成像的速度。因此，这就要求采集板卡有一定的数据预处理能力，包括简单的数学运算，软、硬件滤波，内插，甚至是快速傅里叶变换(FFT)和快速傅里叶逆变换(IFFT)。

从数据采集到成像算法，以及与CPU进行数据交互，大量的数据传输对数据总线的传输速率及带宽要求比较高，因此，不同的数据总线技术对成像速度的影响也比较大。

公开号为CN2896368的中国专利申请公开了一种基于PXI/CompactPCI总线的多通道数据同步采集卡，该采集卡包括多路信号调理电路、模数(A/D)转换电路、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)电路、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、低抖动时钟分相电路、存储器和PXI/CompactPCI接口。该数据采集卡的采样精度比较高，采样频率每个通道可达65M/S，可以对中频信号进行采样；由于考虑了低抖动时钟的设计，因此各通道采样相位误差比较小。但仍有一些不足：1、将系统时钟设计在采集板卡上，单个板卡上各个通道的相位误差小，但如果做多板卡的扩展，各个板卡之间的时钟误差就比较大，无法满足大规模多通道信号的同步并行处理要求。2、利用专用的DSP处理器来实现其信号处理能力，双处理器组成乒乓工作方式，增加了硬件成本及布板的难度。

因此，需要提供一种可扩展、多通道且能够并行实时地进行数据采集的装置和方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可扩展多通道并行实时数据采集装置，该装置具有采样率高、数据传输快的优点，且易于多个板卡的大规模扩展。本发明还提供了一种基于上述装置的可扩展多通道并行实时数据采集方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种可扩展多通道并行实时数据采集装置，包括PXIe(PCI eXtensions for Instrumentation Express，面向仪器系统的PCI扩展)背板、CPU板卡和若干个FPGA采集卡，所述PXIe背板包括CPU主板插槽、时钟板插槽、若干个FPGA板卡插槽、电源模块、时钟模块和PCIe/PCI转接桥，用于CPU板卡、FPGA采集卡的连接及通信，工作时CPU板卡和FPGA采集卡均设置在CPU主板插槽和FPGA板卡插槽内；所述CPU板卡与FPGA采集卡之间通过PCIe交换器进行数据传输，各个FPGA采集卡通过PXIe总线与CPU板卡进行通信；所述FPGA采集卡之间通过PCIe交换器进行采集卡之间的P2P(Peer-to-Peer，点对点)数据传输；所述电源模块通过电源总线为CPU板卡、FPGA采集卡、PCIe交换器提供板载电源，所述时钟模块通过时钟总线提供系统差分时钟、差分同步信号、差分星型触发，并且向下兼容PXI时钟；所述FPGA板卡插槽通过PCI总线及PCIe/PCI转接桥来实现PXI及CompactPCIe板卡的兼容。

所述时钟总线，包括由时钟模块产生的时钟以及由PXIe背板中时钟板插槽引入的外部时钟。当采用外部时钟时，需要在时钟板插槽中插入同步定时板卡。

所述PXIe背板为各个FPGA板卡提供10MHz时钟及100MHz差分时钟，定时及触发线，以及差分信号线。

所述CPU主板插槽包括电源接口、PCIe接口、信号输入输出接口。