Gb量级波形数据存储管理与数据交换装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种示波器为代表的电子测量仪器领域波形数据存储管理与数据交换装置。本发明的GB量级波形数据存储管理与数据交换装置，包括采样与成像模块、串化/解串器、数据交换模块、波形成像后处理器、视频控制器、主控制器、PCI控制器、指令解析器、显示器，采样与成像模块通过串化/解串器与数据交换模块通信，数据交换模块与波形成像后处理器通信，波形成像后处理器通过视频控制器与主控制器通信，主控制器依次通过PCI控制器、指令解析器与串化/解串器通信，视频控制器与显示器电连接。本发明的GB量级波形数据存储管理与数据交换装置可有效存储GB数量级波形，并能够将存储的数据直接发送，可广泛应用在高速示波器上。
【专利说明】GB量级波形数据存储管理与数据交换装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种示波器，尤其涉及一种示波器为代表的电子测量仪器领域波形数据存储管理与数据交换装置。
【背景技术】
[0002]以示波器为代表的基础仪器是用于现场或常规维护的、相对较为传统的、也是最基本的通用测试仪器，信息复杂程度越来越高，系统运行速度越来越快，数据产生、传输、转换速率达ns量级，甚至PS量级。数据量庞大，一段完整的数据少则几百MB，多则几百GB，支持现代电子信息系统的研发、生产、试验、现场维护故障诊断的传统示波器已不能完全满足测试需求。
[0003]一测侦信息系统，要求数据化速率达lOGB/s，连续不间断吞吐速率都应同时达到500MB/S，且一轮侦测周期(20?30分钟)产生的数百GB数据，要完整保存下来，及时分析处理并上传。支持这一侦测系统测试和维护的现有国产示波器已远远满足不了测试需求，而且国外市场上高性能示波器，无论是TEK、Agilent还是Lecroy,连续实时存储容量都不超过200MB，远远满足不了上GB?数百GB实时采集存储要求。
【发明内容】
[0004]本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种GB量级波形数据存储管理与数据交换装置，其满足高性能示波器数据存储与交换的要求。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:其包括采样与成像模块、串化/解串器、数据交换模块、波形成像后处理器、视频控制器、主控制器、PCI控制器、指令解析器、显示器，采样与成像模块通过串化/解串器与数据交换模块通信，数据交换模块与波形成像后处理器通信，波形成像后处理器通过视频控制器与主控制器通信，主控制器依次通过PCI控制器、指令解析器与串化/解串器通信，视频控制器与显示器电连接。
[0006]主控制器与PCI控制器之间通过PCI总线通信。串化/解串器包括8个。
[0007]高速数据存储管理及交换的高速存储器，时钟频率可达400MHz，可实现800Mbps/pin的峰值数据吞吐率，存储容量较大，但其效率受到访问方式的限制。当访问方式为随机访问时，其效率大大下降。这正适合波形数据的存储与读出。
[0008]按照5GSa/s/通道的采样率计算，示波器存储管理器的输入数据率为:
[0009]5GX4CHX8bit=160Gbps
[0010]按照50万帧/秒的波形成像速率计算，示波器存储管理器的输出速率为:
[0011]500, 000X512X4CHX8bit=8.192Gbps
[0012]因此，所需存储器吞吐带宽为88Gbps。为满足存储要求，这里使用了 4个存储器模组，每个模组具有2GB的容量，其总吞吐带宽为:
[0013]400MHz X 2 X 64 X 4=204.8Gbps
[0014]满足了系统要求。[0015]本发明的GB量级波形数据存储管理与数据交换装置可有效存储GB数量级波形，并能够将存储的数据直接发送，可广泛应用在高速示波器上。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的模块结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]本发明的GB量级波形数据存储管理与数据交换装置包括采样与成像模块、串化/解串器、数据交换模块、波形成像后处理器、视频控制器、主控制器、PCI控制器、指令解析器、显示器，采样与成像模块通过串化/解串器与数据交换模块通信，数据交换模块与波形成像后处理器通信，波形成像后处理器通过视频控制器与主控制器通信，主控制器依次通过PCI控制器、指令解析器与串化/解串器通信，视频控制器与显示器电连接。
[0018]主控制器与PCI控制器之间通过PCI总线通信。
[0019]数据交换模块包括8个串化/解串器(SERDES)，由数据交换单元进行各路数据的交换。工作时，指令由主控制器通过PCI总线传输至该模块，经指令解析器解析、经SERDES编码后送入8个采样与成像模块，采样与成像模块形成的波形图像数据再通过SERDES解码后通过数据交换单元送入波形成像后处理器进行波形成像的后处理，而后送入视频控制器形成显示图像直接送往显示器，同时经PCI总线送往主控制器。
[0020]存储的波形经过先进数字荧光波形成像弓丨擎成像后，形成了 256 X 512 X 9位的图像(9位中，8位为灰度信息，另外I位为附加位)。为实现较好的人机交互性，波形的帧传输速率定为60fps，由此可算出传输每个通道的波形所需的数据率为:
[0021]256X512X9X60 ^ 71Mbps
[0022]但是，若使用该速率将原始波形数据导出，该速率是远远不够的。设波形存储深度为2GB/CH，则将4个通道的数据全部导出至主控计算机，所需时间为:
[0023]2GX4X8/71M ^ 923 ^ 15min
[0024]时间较长。若减小该时间，必须提高数据交换模块和主控计算机模块的数据交换速率。其中后者使用成熟的PCI规范，时钟速率为33MHz，32位，因此峰值数据传输率为
1.056Gbps。而受到FPGA管脚数目的限制，采样与成像模块和数据交换模块之间无法采用并行总线传输数据。这里采用了广泛应用于通信行业的高速串行接口。为提高传输速率，系统采用星形拓扑结构，每个采样与成像模块采用点对点的数据链路连接至数据交换模块。每个链路采用两对差分传输线实现全双工传输。实际测试表明，该结构可以稳定的运行在
2.5GHz上。考虑到8b/10b的编码效率，实际的单向数据传输率为2Gbps，高于PCI总线的数据速率。克服了该瓶颈。此时，在理想情况下，设波形存储深度为2GB/CH，则将4个通道的数据全部导出至主控计算机，所需时间为:
[0025]2GX4X8/1.056G ^ 61s
[0026]在数据通过PCI总线传输至主控制器的同时，主控制器可将数据写入硬盘。硬盘的写入速度受到转速和组织形式的限制，通常在40-80MB/S之间。受到该速度和PCI总线占用影响，实际速率会低于理论速率。
[0027]示波器使用的硬盘为普通PC用硬盘驱动器。为减小体积和重量，这里使用500GB的2.5英寸硬盘驱动器。安装完操作系统和应用程序后，硬盘将剩余约450GB的空间，可以存储大量波形数据。由于主控计算机具有硬盘接口，因此只需将硬盘直接连接在主控计算机上即可。Windows XP操作系统将妥善的管理硬盘。硬盘数据可通过USB接口或LAN传输至外部设备。存储的波形数据将采用自定义的二进制文件格式或业内通用的CSV格式，其数据可使用多种第三方软件读出或进行处理，如Microsoft Excel和Matlab等。
[0028]在对于震动和可靠性要求较高的应用中，我们提供单层单元结构固态存储器(SLC-SSD )选件作为硬盘的替代品。SLC-SSD为固态产品，对震动和冲击的忍受度远远高于硬盘。
【权利要求】
1.一种GB量级波形数据存储管理与数据交换装置，其特征在于，包括采样与成像模块、串化/解串器、数据交换模块、波形成像后处理器、视频控制器、主控制器、PCI控制器、指令解析器、显示器，采样与成像模块通过串化/解串器与数据交换模块通信，数据交换模块与波形成像后处理器通信，波形成像后处理器通过视频控制器与主控制器通信，主控制器依次通过PCI控制器、指令解析器与串化/解串器通信，视频控制器与显示器电连接。
2.根据权利要求1所述的GB量级波形数据存储管理与数据交换装置，其特征在于，主控制器与PCI控制器之间通过PCI总线通信。
3.根据权利要求1所述的GB量级波形数据存储管理与数据交换装置，其特征在于，串化/解串器包括8个。
【文档编号】G01R13/00GK103837722SQ201210490431
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月27日 优先权日:2012年11月27日
【发明者】印德荣, 宋云衢 申请人:江苏绿扬电子仪器集团有限公司