多通道數據採樣方法、系統和裝置與流程
2023-10-22 16:51:57
本發明涉及數位訊號處理技術領域，特別是涉及一種多通道數據採樣方法、系統和裝置。
背景技術：
隨著電子信息技術的發展，大規模信號處理，尤其是多通道的陣列採集與處理的相關技術也蓬勃發展，通道的數量不斷增多，採集與處理的數據量也不斷增大。大規模陣列信號採集與處理正成為一個新興的研究領域。
現如今CPU(Central Processing Unit，中央處理器)、內存、GPU(Graphics Processing Unit，圖形處理器)等器件的性能不斷提升，後續數據處理能力顯著增強，促使實際應用對前端鏈路的採樣通道數，採樣頻率的要求也飛速增長，由此迫切地需要在有限的存儲空間內存儲更多時長的有用信號，節省系統資源、控制系統成本，提高整個系統的工作效率、應用範圍。
目前所用的陣列採集技術常分為下述兩種機制：一是採用「一個ADC(Analog to Digital Converter，模數轉換器)對應一路通道」的方式，顯然不適合大規模陣列採集的情況；二是使用「一個ADC對應多路通道，由同步時鐘控制通道切換與存儲空間切換」。這種方式對於ADC的採樣頻率，各種切換的時間，不同存儲空間的指定等操作的時序協同需要嚴格的控制，造成了系統資源的消耗，資源利用率低。
技術實現要素：
基於此，有必要針對資源利用率低的問題，提供一種多通道數據採樣方法、系統和裝置。
一種多通道數據採樣方法，包括以下步驟：
在當前採樣通道對應的第一存儲空間存滿後，從當前採樣通道切換至下一個採樣通道，並控制存儲空間切換至下一個採樣通道對應的第二存儲空間；其中，當前採樣通道為各個採樣通道中正在執行採樣操作的通道，各個採樣通道分別對應一個存儲空間，各個採樣通道的數據分別添加數據幀頭後存入對應的存儲空間；
切換完成後，對所述第一存儲空間內的數據進行傅立葉變換，提取所述第一存儲空間內的數據的功率譜的強度和頻率信息；
若所述功率譜的強度和頻率信息符合預設的條件，則將採樣率設置為第一採樣率對下一個採樣通道的數據進行採樣。
一種多通道數據採樣系統，包括：
切換模塊，用於在當前採樣通道對應的第一存儲空間存滿後，從當前採樣通道切換至下一個採樣通道，並控制存儲空間切換至下一個採樣通道對應的第二存儲空間；其中，當前採樣通道為各個採樣通道中正在執行採樣操作的通道，各個採樣通道分別對應一個存儲空間，各個採樣通道的數據分別添加數據幀頭後存入對應的存儲空間；
判斷模塊，用於切換完成後，對所述第一存儲空間內的數據進行傅立葉變換，提取所述第一存儲空間內的數據的功率譜的強度和頻率信息；
採樣模塊，用於若所述功率譜的強度和頻率信息符合預設的條件，則將採樣率設置為第一採樣率對下一個採樣通道的數據進行採樣。
一種多通道數據採樣裝置，包括：
切換開關，模數轉換模塊，地址選擇器，存儲空間，加幀頭電路，時鐘發生器，計數器和觸發電路；
後級數據處理單元向觸發電路發送片段接收完成標誌，觸發電路收到該片段接收完成標誌後，根據上次輪詢中從存儲空間輸入的數據調整採樣率，並通過控制時鐘發生器改變模數轉換模塊的採樣率進行採樣，採樣數據通過切換開關存進對應的存儲空間並由加幀頭電路補充幀頭信息，計數器計滿時發出計滿標誌，觸發電路、切換開關、地址選擇器進行異步握手切換至下一採樣通道與對應存儲空間，觸發電路通過下一採樣通道上次輪詢結果調整採樣率，輸出片段存滿標誌到後級數據處理單元，並接收後級數據處理單元返回的片段接收完成標誌。
與現有技術相比，本發明的多通道數據採樣方法、系統和裝置，每個採樣通道對應一個存儲空間，採樣時，若當前採樣通道對應的存儲空間存滿，則將當前採樣通道切換至下一個通道，並將存儲空間切換至下一個通道對應的存儲空間，並在有用信號到來後以高頻率採樣，在有用信號未到來時以低頻率採樣，可以在不增多ADC的情況下拓展採樣通道，在不增加現有存儲空間的情況下拓展採樣時長，具有效率高，穩定性強，存儲空間利用率高的特點。
附圖說明
圖1為一個實施例的多通道數據採樣方法流程圖；
圖2(a)為一個實施例的多通道數據採樣方法的程序流圖；
圖2(b)為一個實施例的通道切換的程序流圖；
圖3為一個實施例的多通道數據採樣系統的結構示意圖；
圖4為一個實施例的多通道數據採樣裝置的結構示意圖；
圖5為一個實施例的觸發電路的結構示意圖；
圖6為一個實施例的多通道數據採樣裝置的應用示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的技術方案進行說明。
如圖1所示，本發明提供一種多通道數據採樣方法，可包括以下步驟：
S1，在當前採樣通道對應的第一存儲空間存滿後，從當前採樣通道切換至下一個採樣通道，並控制存儲空間切換至下一個採樣通道對應的第二存儲空間；其中，當前採樣通道為各個採樣通道中正在執行採樣操作的通道，各個採樣通道分別對應一個存儲空間，各個採樣通道的數據分別添加數據幀頭後存入對應的存儲空間；
在本步驟中，採樣通道可以包括[C1(n)-Ci(n)-CN(n)]，所述採樣通道[C1(n)-Ci(n)-CN(n)]可分別對應存儲空間[M1(n)-Mi(n)-MN(n)]。其中，N為通道總數量，i＝1,2，...，N。n為輪詢次數。通道Ci(n)的數據對應存入存儲空間Mi(n)，依次輪詢往復。假設當前採樣通道為Ci(n)，可判斷採樣通道Ci(n)是否存滿。若存滿則控制採樣通道切換至下一個採樣通道Ci+1(n)，當切換到Ci+1(n)通道成功後可控制存儲空間切換至對應的存儲空間Mi+1(n)。若未存滿，則可以繼續以當前採樣通道Ci(n)採樣，並返回判斷當前採樣通道對應的第一存儲空間是否存滿的步驟。
在一個實施例中，可以對採樣數據添加數據幀頭後進行存儲，若採樣數據存滿一個片段，向後級數據處理單元發送片段存滿標誌，並等待後續數據處理單元返回的片段接收完成標誌，在接收到所述片段接收完成標誌之後，返回判斷當前採樣通道對應的第一存儲空間是否存滿的步驟。
S2，切換完成後，對所述第一存儲空間內的數據進行傅立葉變換，提取所述第一存儲空間內的數據的功率譜的強度和頻率信息；
從該功率譜所體現的強度和頻率信息中可以獲知有用信號是否到達採樣通道。
S3，若所述功率譜的強度和頻率信息符合預設的條件，則將採樣率設置為第一採樣率對下一個採樣通道的數據進行採樣。
若所述功率譜的強度和頻率信息符合預設的條件，則表明有用信號到達。此時，可以將採樣率設置為第一採樣率對所述下一個採樣通道的數據進行採樣。所述預設的條件可以是功率譜強度大於預設值，或者頻率處於預設範圍內等等。
反之，若所述功率譜的強度和頻率信息不符合預設的條件，則表明有用信號未到達。此時，可以將採樣率設置為第二採樣率對下一個採樣通道的數據進行採樣；其中，所述第二採樣率小於所述第一採樣率。所述第二採樣率的倒數(即採樣時間間隔)大於有用信號的最小重複周期。在有用信號未到達時，以低速率進行採樣，在有用信號到來時，以高速率進行採樣，可以有效節約系統資源。
在一個實施例中，可將系統啟動後進行第一次採樣時的採樣率設為所述第二採樣率。
當前存儲空間Mi(n)可包括數據幀頭以及從當前通道所採集的數據。數據幀頭可包含以下信息：當前數據對應的通道號Ci(n)；當前通道採集時所用到的採樣率Fs；當前的相對時間刻度dtn；輪詢到該通道的次數n。以備數據反演時使用。每一次採集後存入當前存儲空間Mi(n)的數據段都包含有所述數據幀頭。在通道切換時，不進行數據存儲。
如圖2(a)和圖2(b)所示，本發明的多通道數據採樣的程序流可以根據如下方式實現：首先分配分配好對應的採集通道Ci(n)和存儲空間Mi(n)，接著中控與握手模塊等待從後繼單元接收片段接收完成標誌RF，在接收到該標誌之後，根據對應通道/空間上次輪詢的結果(即預設結果)設定採樣率Fs，(初次輪詢為低頻率Fsl)，然後通過時鐘控制ADC以對應的採樣率進行採樣並加上幀頭信息存儲進存儲空間。在等待空間計數模塊計滿之後，採用異步握手的方式將當前通道Ci(n)，存儲空間Mi(n)切換至下一採樣通道Ci(n+1)與其對應的存儲空間Mi(n+1)。接著根據Mi(n)中的數據取功率譜信息判斷有用信號是否到達。若判斷結果為信號已到達，則將採樣率Fs預設為高採樣率Fsh，否則預設為Fsl。然後輸出片段存滿標誌TF到後繼單元並發送出數據。最後回到等待從後繼單元接收片段接收完成標誌RF，不斷輪詢往復。
與現有技術相比，本發明提供一種高可靠性的多通道採樣方法，可以在不增多ADC的情況下拓展採樣通道，在不增加現有存儲空間的情況下拓展採樣時長，具有效率高，穩定性強，存儲空間利用率高的特點。
本發明所述系統將採樣通道與存儲空間一一對應，通道切換與存儲空間切換採用異步握手的方式進行數據存儲。尤其是，採用了自適應集中突髮式採樣手段，儘可能多地存儲有用數據，也節約了系統開銷。而且由於採用了異步握手的方式，可靠性高。
如圖3所示，本發明提供一種多通道數據採樣系統，可包括：
切換模塊11，用於在當前採樣通道對應的第一存儲空間存滿後，從當前採樣通道切換至下一個採樣通道，並控制存儲空間切換至下一個採樣通道對應的第二存儲空間；其中，當前採樣通道為各個採樣通道中正在執行採樣操作的通道，各個採樣通道分別對應一個存儲空間，各個採樣通道的數據分別添加數據幀頭後存入對應的存儲空間；
採樣通道可以包括[C1(n)-Ci(n)-CN(n)]，所述採樣通道[C1(n)-Ci(n)-CN(n)]可分別對應存儲空間[M1(n)-Mi(n)-MN(n)]。其中，N為通道總數量，i＝1,2，...，N。n為輪詢次數。通道Ci(n)的數據對應存入存儲空間Mi(n)，依次輪詢往復。假設當前採樣通道為Ci(n)，可判斷採樣通道Ci(n)是否存滿。若存滿則控制採樣通道切換至下一個採樣通道Ci+1(n)，當切換到Ci+1(n)通道成功後可控制存儲空間切換至對應的存儲空間Mi+1(n)。若未存滿，則可以繼續以當前採樣通道Ci(n)採樣，並返回判斷當前採樣通道對應的第一存儲空間是否存滿的步驟。
在一個實施例中，可以對採樣數據添加數據幀頭後進行存儲，若採樣數據存滿一個片段，向後級數據處理單元發送片段存滿標誌，並等待後續數據處理單元返回的片段接收完成標誌，在接收到所述片段接收完成標誌之後，返回判斷當前採樣通道對應的第一存儲空間是否存滿的步驟。
判斷模塊12，用於切換完成後，對所述第一存儲空間內的數據進行傅立葉變換，提取所述第一存儲空間內的數據的功率譜的強度和頻率信息；
從該功率譜所體現的強度和頻率信息中可以獲知有用信號是否到達採樣通道。
採樣模塊13，用於若所述功率譜的強度和頻率信息符合預設的條件，則將採樣率設置為第一採樣率對下一個採樣通道的數據進行採樣。
若所述功率譜的強度和頻率信息符合預設的條件，則表明有用信號到達。此時，可以將採樣率設置為第一採樣率對所述下一個採樣通道的數據進行採樣。所述預設的條件可以是功率譜強度大於預設值，或者頻率處於預設範圍內等等。
反之，若所述功率譜的強度和頻率信息不符合預設的條件，則表明有用信號未到達。此時，可以將採樣率設置為第二採樣率對下一個採樣通道的數據進行採樣；其中，所述第二採樣率小於所述第一採樣率。所述第二採樣率的倒數(即採樣時間間隔)大於有用信號的最小重複周期。在有用信號未到達時，以低速率進行採樣，在有用信號到來時，以高速率進行採樣，可以有效節約系統資源。
在一個實施例中，可將系統啟動後進行第一次採樣時的採樣率設為所述第二採樣率。
當前存儲空間Mi(n)可包括數據幀頭以及從當前通道所採集的數據。數據幀頭可包含以下信息：當前數據對應的通道號Ci(n)；當前通道採集時所用到的採樣率Fs；當前的相對時間刻度dtn；輪詢到該通道的次數n。以備數據反演時使用。每一次採集後存入當前存儲空間Mi(n)的數據段都包含有所述數據幀頭。在通道切換時，不進行數據存儲。
如圖2(a)和圖2(b)所示，本發明的多通道數據採樣的程序流可以根據如下方式實現：首先分配分配好對應的採集通道Ci(n)和存儲空間Mi(n)，接著中控與握手模塊等待從後繼單元接收片段接收完成標誌RF，在接收到該標誌之後，根據對應通道/空間上次輪詢的結果(即預設結果)設定採樣率Fs，(初次輪詢為低頻率Fsl)，然後通過時鐘控制ADC以對應的採樣率進行採樣並加上幀頭信息存儲進存儲空間。在等待空間計數模塊計滿之後，採用異步握手的方式將當前通道Ci(n)，存儲空間Mi(n)切換至下一採樣通道Ci(n+1)與其對應的存儲空間Mi(n+1)。接著根據Mi(n)中的數據取功率譜信息判斷有用信號是否到達。若判斷結果為信號已到達，則將採樣率Fs預設為高採樣率Fsh，否則預設為Fsl。然後輸出片段存滿標誌TF到後繼單元並發送出數據。最後回到等待從後繼單元接收片段接收完成標誌RF，不斷輪詢往復。
與現有技術相比，本發明提供一種高可靠性的多通道採樣系統，可以在不增多ADC的情況下拓展採樣通道，在不增加現有存儲空間的情況下拓展採樣時長，具有效率高，穩定性強，存儲空間利用率高的特點。
本發明所述系統將採樣通道與存儲空間一一對應，通道切換與存儲空間切換採用異步握手的方式進行數據存儲。尤其是，採用了自適應集中突髮式採樣手段，儘可能多地存儲有用數據，也節約了系統開銷。而且由於採用了異步握手的方式，可靠性高。
如圖4所示，本發明還提供一種多通道數據採樣裝置，可包括：
切換開關21，模數轉換模塊22，地址選擇器23，存儲空間24，加幀頭電路25，時鐘發生器26，計數器27和觸發電路28；
後級數據處理單元向觸發電路28發送片段接收完成標誌，觸發電路28收到該片段接收完成標誌後，根據上次輪詢中從存儲空間24輸入的數據調整採樣率，並通過控制時鐘發生器26改變模數轉換模塊22的採樣率進行採樣，採樣數據通過切換開關21存進對應的存儲空間24並由加幀頭電路25補充幀頭信息，計數器27計滿時發出計滿標誌，觸發電路28、切換開關21、地址選擇器23進行異步握手切換至下一採樣通道與對應存儲空間24，觸發電路28通過下一採樣通道上次輪詢結果調整採樣率，輸出片段存滿標誌到後級數據處理單元，並接收後級數據處理單元返回的片段接收完成標誌。
如圖5所示，所述觸發電路28可包括第一觸發器281、第二觸發器282、第三觸發器283、運算器284和狀態選擇開關285；所述第一觸發器281連接切換開關21和計數器27，所述第二觸發器282連接切換開關21、地址選擇器23和運算器284，所述運算器284連接存儲空間24和狀態選擇開關285，所述狀態選擇開關285連接第三觸發器283、時鐘發生器26和後級數據處理單元，所述第三觸發器283連接後級數據處理單元。
如圖6所示，為所述多通道數據採樣裝置的一個應用實例，圖中102為本發明所述的一種多通道數據採樣裝置。圖中101為前級模擬處理，圖中103為數據波形恢復裝置。本發明所述的多通道數據採樣裝置102與數據波形恢復裝置103通過TF，RF進行異步握手，最終通過103在主機的顯示器上進行顯示。
以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。