专利名称：高速数据实时采集存储设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种存储设备，特别涉及一种高速数据实时采集存储设备，属于计算 机应用领域。
背景技术：
高速数据采集存储系统的关键技术是高速模数转换技术、数据存储与传输技术和 抗干扰技术。当大量的高速实时数据经过模数转换后，必须高速存储，多通道高采样率的数 据采集系统会产生巨大的数据流。这样就需要高速大容量的存储介质将数据存储起来，然 后再读回计算机进行处理。当前主流的高速数据采集存储系统基本上都是国外公司的产品，其中以美国国家 仪器公司(National Instruments)的产品占据市场领先地位。其主流产品方案是基于PC 架构的控制主机加上基于PXI/PXIe总线的高速数据采集卡和RAID磁盘阵列卡来实现的， 最高产品规格可实现600MB/S的持续数据流盘。在数据采集领域，越来越多的应用对采样率和分辨率都提出了更高的要求。高速 流盘技术一直是测控领域面临的挑战。在当前数据流盘速度受限的情况下，用户不得不采 取一些折衷方案，比如下列几种方式1、采集的数据先全部存放在采集卡的内存中，停止采集后把数据从采集卡的内存 再读入到主机中。由于采集卡上内存大小的限制，这样的方式只能连续采集几秒甚至几毫 秒的数据，无法做到持续实时存储。2、采用NI (美国国家仪器)公司的PXIe采集卡以及工控机，这种方式可以实现较 高速度的采集和存储，但是由于采用通用的X86体系结构，在很多情况下无法满足苛刻的 环境要求，比如对于温度和振动有较高要求的情况下，这种方式就无法使用。3、通过FPGA把采集之后的数据直接写入到Flash阵列中，这种方式可以实现较高 速度的采集，并且可以满足比较苛刻的环境要求，同时流盘的速度也可以达到接近300MB/ S。但是这种方式存在一些比较致命的弱点，主要是Flash的写入控制很难达到较高的性 能，同时，这种方式无法实现方便的扩容。尽管目前的这些产品或者方案存在各种各样的缺陷，但是在市场上可选择的产品 中，速度最高也仅能达到600MB/S，用户也别无选择。当前市场上的数据采集存储的设备架构一般有以下几种1.使用 PCI/PXI 架构PCI总线是一种并行总线，最高带宽132MB/S，持续带宽llOMB/s，所有的设备共享 该带宽，存储顺序是数据先传到设备缓存，再经PCI总线传输到控制器，经过I/O总线，到内 存RAM，CPU，最后存储到硬盘上，由于各个设备共享带宽，而且数据需要经过CPU处理最后 存储到硬盘上，普通的IDE硬盘读写速度也不快，因此，采用该架构数据的存储速度一般不 会超过50MB/S。一般的PXI设备工作原理与此类似。2.使用 PCIe/PXIe 架构
PCIe总线是一种串行总线，单线传输(xl)可以达到250MB/s，16线(xl6)时传输 速率可达4GB/s，各设备专用各自总线进行点对点传输，因此传输速率较高，此时的瓶颈主 要存在于读写硬盘的速度。一般存储/读取的速度均在lOOMB/s到400MB之间。3.使用直接写盘架构以上两种架构，数据都要经过I/O总线、内存和CPU，在一定程度上该过程限制了 存储/读取的速度，而且CPU的多线程性又增加了丢失数据的可能性和系统的不稳定性，所 以出现了直接读/写盘结构。数据从设备的缓存中读出后直接写入磁盘，或者从磁盘中读 取后直接输出。采用此方案的产品数据流盘速度可达600MB/S。但这种方案仍需要主机对 采集卡和磁盘阵列卡进行控制，增加了产品的成本和复杂性，复杂性的增加导致了系统稳 定性的下降，同时主机的总线控制器带宽仍然对数据存取速度有一定限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于嵌入式高性能I/O处理器的方案，从 根本上解决了 PC架构带来的总线瓶颈问题，产品的集成度更高，更加适合于工业级甚至军 用级的应用环境的高速数据实时采集存储设备。为解决上述的技术问题，本发明的技术方案是一种高速数据实时采集存储设备， 其包括高速数字数据采集模块和高速数据存储控制模块，高速数字数据采集模块和高速 数据存储控制模块通过PCI-E总线连接；高速数字数据采集模块包括高速数字数据采集模块控制器、数据采集通道和 PCI-E总线，高速数字数据采集模块控制器与数据采集通道和PCI-E总线连接，高速数字数 据采集模块控制器接收数据采集通道的数字信号，将接收到的数字信号进行处理，并将处 理后的数据传输到PCI-E总线；高速数据存储控制模块包括高速数据存储控制模块控制器、磁盘阵列和PCI-E总 线，高速数据存储控制模块控制器与PCI-E总线和磁盘阵列连接，高速数据存储控制模块 控制器将高速数字数据采集模块通过PCI-E总线传来的数据存储到磁盘阵列上。上述数据采集通道为4路独立DMA通道，支持并行采集或回放。上述数据采集通道的总位宽为128bit，最高数据速率为900MB/S，采用LVDS数据 输入。上述高速数据存储控制模块设置有千兆以太网口和串口。上述高速数字数据存储模块设置有SAS/SATA接口，并通过SAS/SATA接口连接磁 盘阵列。上述高速数字数据采集模块采用FPGA作为控制器，高速数据存储控制模块采用 INTEL I0P81348作为控制器。本产品实施方案中，抛弃了采用PC端作为控制主机的架构设计，将数据采集和高 速存储作为一个集成设备来实现，内部使用PCIe总线连接两个模块，一方面利用了 PCIe 的高速点对点传输的优势，同时，嵌入式处理器直接控制磁盘阵列实现数据存储，不再使用 单独磁盘阵列卡，存储数据时数据流不经过PCIe总线，相当于一种更为优化的直接写盘架 构，可以达到更高的存储速度，带宽可达2GB/s。本发明实现了
1、真正实现“实时”采集和存储，无须中断客户应用；2、采用通用的存储介质，扩容方便，可以实现超大容量存储；3、实现超高速流盘，大于900MB/S的速度远远高于业界现有的指标；4、一体化设计，降低系统复杂度，增加系统稳定性；5、满足各种苛刻的环境要求。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。图1为本发明的系统结构图；图2为本发明高速数字数据采集模块结构图；图3为本发明高速数据存储控制模块结构图；图4为本发明的整体框图。
具体实施例方式如图1所示，本发明可分为高速数字数据采集模块1和高速数据存储控制模块2， 高速数字数据采集模块1和高速数据存储控制模块2通过PCI-E总线连接。高速数字数据 采集模块1和高速数据存储控制模块2采用单板设计，具有较好的抗震性能。高速数字数据采集模块1采用FPGA作为控制器，高速存储控制模块2采用INTEL I0P81348作为控制器，两个模块之间通过设备内部的PCI-E总线进行通信。如图2所示，高速数字数据采集模块1包括高速数字数据采集模块控制器、数据采 集通道和PCI-E总线，高速数字数据采集模块控制器与数据采集通道和PCI-E总线连接， 高速数字数据采集模块控制器接收数据采集通道的数字信号，将接收到的数字信号进行处 理，并将处理后的数据传输到PCI-E总线。高速数字数据采集模块1可以工作于如下两种模式1、数据记录模式两个高速数字通道的数据通过FPGA直接传送到设备内部设备 PCI-E总线上，然后再写到后端高速数据存储控制模块的磁盘阵列中。2、数据回放模式当进行数据回放时候，存储在存储模块上的数据，控制器将数据 按照规定的格式传输至高速数字数据采集模块1，由高速数字数据采集模块1对数据进行 回放。如图3所示，高速数据存储控制模块2包括高速数据存储控制模块控制器、磁盘阵 列和PCI-E总线，高速数据存储控制模块控制器与PCI-E总线和磁盘阵列连接，高速数据存 储控制模块控制器将高速数字数据采集模块1通过PCI-E总线传来的数据存储到磁盘阵列 上。高速数据存储控制模块2可以将高速数字数据采集模块1传来的数据以高于 900MB/S的速度，实时的存储到高速数据存储控制模块2的磁盘阵列上，可以完成高速、实 时、安全的数据存储。同时也支持数据的回放，用户可以通过本模块对磁盘阵列中的数据进 行访问。高速数据存储控制模块2是基于INTEL的I0P81348控制器实现的，其可挂接8块 SAS/SATA/SSD硬盘。I0P81348带有一个PCI-X控制器和一个PCI-E控制器，PCI-X上扩展一个千兆以太网口用来调试设备和数据回放，PCI-E控制器用来和高速数字数据采集模块 1连接。如图3所示，高速数据存储控制模块2的其他功能1)时钟电路提供系统稳定工作的时钟信号；2)系统复位电路提供系统上电需要的复位信号并做系统低电压监控；3) JTAG 为系统调试提供接口 ；4) Flash BOOT 此部分挂接在 PBI BUS 上，IOP 通过 PBI 访问 FLASH ；5)设备PCI-X扩展一个1000M的以太网控制器连接在PCI-X总线上，交互传输 来自以太网的数据；6)PCI-E总线I0P81348设置为ROOT COMPLEX可以连接不同的设备，可以连接不 同的Target，本设计用于连接高速数字数据采集模块1 ；7)UART 接受来自外部的异步串行信号，IOP控制器也可以通过UART发送异步串 行信号给其他设备；8) I2C =IOP控制器做为MASTER来访问连接在I2C总线上的SLAVE，如RTC等；9)GPIO 控制蜂鸣器、系统运行指示灯、硬盘状态灯；10)电源模块为系统提供稳定可靠的电源供应，输入来自ATX电源。高速数字数据采集模块1可以采集四通道总位宽128bit、最高数据速率900MB/S 的高速数字数据；高速数据存储控制模块2提供2个用于连接硬盘的MmiSAS接口，一个 千兆以太网口用于数据回放，一个串口用于设备调试和主机通信。本发明的设备包含了多种接口，如图4所示，包括1) 128-bit高速数据输入通道；2)八位低速数字数据输入通道；3) 1000M 网络接口；4) RS232接口 用于设备调试和与主机通信接口 ；5)存储接口 用于存储介质SATA/SAS/SSD的接口，支持热拔插；本发明采用四路高速数字数据总位宽128bits，最大传输速率为900MB/S，差分信 号输入，并以不低于900MB/S的速度将采集数据实时存储到磁盘阵列中。在存储的时候对磁盘阵列以自定义格式的方式进行存取(即不采用标准的文件 系统)，不同输入通道采集到的数据分别存入磁盘阵列的不同区块中。本发明设备还可通过设备网口连接至外部设备，可以随时查看磁盘阵列中的数 据，对数据进行回放和数据分析。该设备可广泛运用于雷达、声纳、图像处理、语音识别、通信、瞬态信号测试等领 域。一些涉及国防和安全的领域不仅不再依赖和受制于国外产品，甚至还可以提供比国外 产品性能更高的产品，从而提高这些领域的产品在国际上的竞争力。同样，该系统也可以帮助关系到国计民生问题的石油勘探，地震监测等领域提供 更加完善和完美的数据记录与分析手段。上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得 的技术方案均落在本发明的保护范围内。
权利要求
一种高速数据实时采集存储设备，其特征在于包括高速数字数据采集模块(1)和高速数据存储控制模块(2)，高速数字数据采集模块(1)和高速数据存储控制模块(2)通过PCI-E总线连接；高速数字数据采集模块(1)包括高速数字数据采集模块控制器、数据采集通道和PCI-E总线，高速数字数据采集模块控制器与数据采集通道和PCI-E总线连接，高速数字数据采集模块控制器接收数据采集通道的数字信号，将接收到的数字信号进行处理，并将处理后的数据传输到PCI-E总线；高速数据存储控制模块(2)包括高速数据存储控制模块控制器、磁盘阵列和PCI-E总线，高速数据存储控制模块控制器与PCI-E总线和磁盘阵列连接，高速数据存储控制模块控制器将高速数字数据采集模块(1)通过PCI-E总线传来的数据存储到磁盘阵列上。
2.根据权利要求1所述的高速数据实时采集存储设备，其特征在于所述数据采集通 道为4路独立DMA通道。
3.根据权利要求1或2所述的高速数据实时采集存储设备，其特征在于所述数据采 集通道的总位宽为128bit，最高数据速率为900MB/S，采用LVDS数据输入。
4.根据权利要求1所述的高速数据实时采集存储设备，其特征在于所述高速数据存 储控制模块(2)设置有千兆以太网口和串口。
5.根据权利要求1所述的高速数据实时采集存储设备，其特征在于所述高速数字数 据存储模块(2)设置有SAS/SATA接口，并通过SAS/SATA接口连接磁盘阵列。
6.根据权利要求1所述的高速数据实时采集存储设备，其特征在于所述高速数字数 据采集模块(1)采用FPGA作为控制器，高速数据存储控制模块(2)采用INTEL I0P81348 作为控制器。
全文摘要
本发明公开了一种高速数据实时采集存储设备，其包括高速数字数据采集模块(1)和高速数据存储控制模块(2)，高速数字数据采集模块(1)和高速数据存储控制模块(2)通过PCI-E总线连接；高速数字数据采集模块(1)用于接收外部低速和高速数字信号，并将接收到的数字信号进行处理，将处理过后的数据传输到设备内部的设备PCI-E总线，由高速数据存储控制模块(2)将数据存储到磁盘阵列中，完成高速、实时、安全的数据存储。同时也支持数据的回放，用户可以通过本模块对磁盘阵列中的数据进行访问。
文档编号G06F13/28GK101887401SQ20101021030
公开日2010年11月17日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者卢鸣, 梁德祥, 顾明明 申请人:苏州飞鱼星电子技术有限公司