大型物理實驗裝置在運行過程中會產生高速粒子的碰撞,從而產生極短的電磁脈沖,其頻率極高。若采用客戶最容易想到的數字示波器方案,將無法滿足后端數據的實時存儲與信號處理需求。此外,監測多個傳感器的數據,需要數百個通道之間保持極高的同步性,這意味著即使采用大量的多通道緊湊型數字示波器組網,也會面臨高昂的成本與復雜的同步問題。
另一方面,實驗中的瞬態現象對多通道采集同步性提出了嚴苛要求。特別是實驗運行時產生的高頻電磁脈沖和瞬態磁場,可能導致傳統電纜傳輸的觸發信號失真。因此,需要采用光纖傳輸或其他信號隔離技術,確保同步信號的完整性。根據項目的實際需求,系統需要同步采集多種物理量(如電磁場、光譜輻射、粒子通量等),同時具備跨頻段、跨量綱的同步觸發與時間戳對齊能力。這些高要求對于數字示波器的方案而言,非常困難。
結合上述兩方面的要求,可以判斷需采用多臺數字化儀構建分布式采集陣列,并最終形成一套復雜而龐大的數據采集系統,具體理由參見表1。數字化儀采集陣列,顧名思義由多臺數字化儀構成,適用于需要多通道高精度同步采集的環境,特別適用于大型物理實驗、核聚變、陣列雷達、MIMO等需要多通道采集的應用場合。
最后還有一點,即普通臺式儀器通常需額外配置GPS或IEEE1588同步模塊才能達到μs級同步,普通PCIe等模塊化儀器在配備性能良好的時鐘同步板后才能達到ns級同步,而VPX架構采用背板級參考時鐘分發系統則可實現ps級同步。由于該實驗所需的采集通道數以千計,通道之間的同步問題非常嚴峻,因此必須選擇基于VPX架構的方案。事實上,VPX架構本身就具備高性能、高可靠性和模塊化的特點,所以在航空航天、國防等領域得以廣泛應用。
由此可見,采用基于VPX架構的數字化儀采集陣列應該可以滿足本項目嚴苛的技術指標要求,是應對該項目技術挑戰的最優解決方案。
坤馳科技設計的系統采用標準上架式機柜部署(參見圖1),核心組件包括:
多臺采集機箱: 基于高性能模塊化架構(參見圖2),每個槽位插入高速數字化儀模塊。
集中式同步機箱: 為整個系統提供統一、高精度的時鐘源和觸發源(參見圖3)。
光纖交換網絡: 實現采集數據的高速、抗干擾傳輸至后端處理單元。
光譜信號通過光電轉換設備接入采集機箱,系統通過集中式同步機箱確保所有采集通道的嚴格時間同步。后端采用光纖網絡傳輸數據,用戶可通過Web版統一控制軟件對所有采集設備進行配置、監控和數據分析。

圖1. 上架式機柜實物圖

圖2. 基于VPX架構的采集機箱(示意圖)

系統中最核心的是采集部分,具有以下特點:
● 每臺采集機箱基于高性能模塊化架構,通過背板高速總線(如PCIe)進行數據交互。
● 采用的坤馳科技自研高速數字化儀模塊,具備高采樣率(1GS/s及更高)、高分辨率(14位)、多通道(例如本項目采用2通道) 同步采集能力。
●單機箱可擴展支持數十通道同步采集,系統可通過增加機箱靈活擴展至數百通道(圖4示意了一個小規模的系統)。
● 數字化儀基于高性能FPGA架構,支持定制化算法開發與實時處理。
圖4. 系統硬件架構示意圖
高精度同步采集:為保證多通道高精度同步采集,如前文所述,需在硬件層面采用外部時鐘板為整套系統提供統一時鐘源,并采用外部觸發板為整個系統采集提供統一觸發源,最終保證采集的同步精度。再通過軟件層面對數字域信號進行相位對齊校準,完善硬件層由芯片自身特性帶來的確定性延遲,最終實現該多通道高精度采集陣列的時間同步優于200ps。
創新技術架構:坤馳科技提供完整的軟硬件協同解決方案(如圖5所示),不僅能夠顯著降低客戶的二次開發成本,而且具有以下創新優勢:
①軟件采用Web界面設計(如圖6所示),可用性、安全性及可擴展性更高;
②大數據存儲處理技術可輕松應對高速采集的海量數據;
③大量采用開源技術和代碼,不會受制于外部制裁和干擾;
④云原生架構的容器化部署、微服務化設計和自動化運維等技術可做到更快交付;
⑤用戶終端免部署,采用瀏覽器即可對系統狀態、采集任務、采集數據等信息進行管理查看,方便易用。