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具有片上信号预处理功能的低成本独立多通道数据采集，监控和存档系统
摘要
本文的目的是设计一种新的经济实惠的复杂数据采集和处理（DAQP）系统。由于提出的系统硬件可重构性，它可用于满足许多实际应用的需要，同时保持低设备的成本。该设备的不同处理功能的硬件实现允许高速处理，而不需要昂贵的通用处理器，如基于计算机或基于微控制器的数据采集（DAQ）的情况。实现所提出的设计的目标技术是通过现场可编程门阵列（SoC-FPGA）的片上系统。四通道DAQP是在田纳西理工大学库克维尔的嵌入式系统设计实验室设计，开发和测试的。实现和验证了概念设计的各种模块。提供绩效评估和成本比较。比较表明，拟议文书的结果与现有技术相当，而成本只是其中的一小部分。
1.引言
在许多实际应用中，需要多通道数据采集（DAQ）以用于监视，监视和/或控制。这些应用包括宽带通信，命令通信和控制，空间探索，医疗诊断等。市场上存在许多复杂的DAQ系统。然而，它们既昂贵又繁琐，或两者兼而有之[1] - [4]。例如，模数（ADC）板的成本可以高达3000美元[5]。此外，在另一个示例中，基于计算机的生物医学DAQ系统消耗600W的功率，因此需要隔离的电源单元。系统成本约为5500美元，不包括笔记本电脑[6]。例如，为了使医疗诊断成本低廉，人们希望能够购买类似的复杂设备并在家中使用它。在这种情况下，负担能力在患有慢性疾病的患者的决定中起主要作用，该患者需要频繁监测他/她的一些身体信号。所提出的系统的处理能力允许患者在不离开家/工作的情况下获得初步诊断。对于复杂的诊断也可以这样做，其中使用DAQ和处理（DAQP）的内置网络功能将收集的数据安全地发送到适当的实验室。市场上存在简单的DAQP，例如血糖和生命体征。虽然这种装置价格合理，但它们在通道数和诊断功能方面非常有限。这项研究的最终目标是设计能够同时采集多个异构信号并实时处理的DAQP。例如，在医疗领域，便携式设备的这种能力对于在紧急和/或战争情况下挽救生命至关重要。任何DAQ系统都需要某种显示功能。显示器可以使观看者能够在同一显示器上重叠不同的数据。因此，将获取的数据与参考数据进行比较变得容易，并且当它们被绘制成图形时，可以看到两个信号之间的差异[7]。此外，在车辆维护中，例如（例如，在车轮定位中），具有显示模块的DAQ系统用于收集数据并在显示器上提供关于如何调整车轮的指令[8]，[9]。在医学领域，已知具有显示器的DAQ系统显示温度，呼吸速率和脉搏率，仅举几例。除显示功能外，任何DAQ系统都应提供数据存档机制。例如，图形文档系统允许临床医生以快速，直观且易于理解的方式记录关于解剖图像的特定区域的信息[10]，[11]。
现有的DAQ系统可分为三大类。 第一个是基于计算机的类，它利用计算机处理能力来执行所需的数据操作，可视化，存储和/或决策。 在此类别中，DAQ可以进一步细分为内部和外部模块。 内部DAQ采用扩展卡的形式连接到PC扩展插槽[外围组件互连（PCI）和工业标准架构]。 值得一提的是，此类别中的DAQ取决于所使用的PC的过时。 外部DAQ采用连接计算机端口（并行，串行，通用串行总线等）的模块形式[12]。 外部DAQ模块通常需要特殊的电缆才能连接到PC [13]。 这种基于计算机的DAQ类别显然具有高成本，笨重，高功耗和固定硬件架构的缺点。
第二个DAQ类别是基于嵌入式微控制器的系统[14]。这些系统具有便携性和高性能等优点，但它们具有固定的架构[15]。在固定架构中，通过冗余实现DAQ，鲁棒性和容错。反过来，这又增加了系统的尺寸，功耗和成本。因此，需要另一种DAQ技术，该技术适应不断变化的要求，对故障具有鲁棒性并且尺寸小。动态可重新配置的DAQ系统将在某些应用中产生至关重要的影响，例如危险环境或远程架构重新配置的隔离区域[16]，[17]。
然而，存在第三类DAQ，其涉及硬件可重新配置的现场可编程门阵列（FPGA）。美国国家仪器公司（NI）是DAQ的领先行业，最近为带有FPGA的仪器DAQ卡提供了PCI和PCI扩展，例如NI LabVIEW FPGA模块[18]。但是，由于其DAQ是基于计算机的，因此FPGA仅用于有限的目的，例如定时和触发或可重新配置的控制算法。涉及FPGA的DAQ可以在安装在目标系统上时进行重新设计（因此名称字段可编程），以达到微调性能或将故障电路重新路由到新的位置。最近推出的高容量FPGA允许在单个芯片上集成多个组件。此外，它还具有DAQ系统所需的所有处理，存储和输入输出功能。 Nallatech [19]。它也只有双通道。因此，它不可扩展。它也缺乏自适应优化采样技术。其他一些DAQ，例如Lyrtech，Bittware，Hunt Engineering和Southwest Research Institute [20] - [23]中的DAQ仅将FPGA用于有限的目的，其中FPGA作为基于固定架构的处理单元的协处理器。如果设计完全集成在高容量FPGA中，这可以防止设计实现低成本和紧凑尺寸的优势。其他研究团队[24] - [29]已经使用了FPGA（全部或部分），但他们只能获得单个输入通道。我们提出的研究提供了一种设计理念，它充分利用了FPGA的功能，并将单个多路复用ADC用于多通道DAQP。这将导致DAQP的小尺寸，成本和功耗，以及设计硬件可扩展性（即，在不改变系统板的情况下根据需要添加更多通道）。器件的最佳采样能力允许在不增加ADC大小的情况下对大量异构信号进行采样。
A.为什么可重配置FPGA？
众所周知，应用软件可以使用硬件描述语言（HDL）自动转换或定制转换为FPGA技术中的等效硬件。例如，添加数组元素的软件段可以转换为硬件寄存器文件，加法器和累加器使用HDL。这些HDL模块通常称为可以获取或定制设计的核心。 FPGA的可重配置功能可以帮助用户在获取系统后更改设计。例如，可以选择应用任何信号预处理内核，例如快速傅里叶变换（FFT）内核，离散余弦变换（DCT）内核，或者甚至是所需的定制内核。为了提高性能，可以将这些片上内核设计并集成到系统的FPGA芯片中，而无需更换软件中的任何硬件或重大更改。这样，基于FPGA的系统将在较低的时钟频率，较低的功耗和有限的制造成本下具有更快的处理速度（与基于软件的可比固定架构相比）。
2.概念设计
从概念上讲，为了消除对繁琐的硬件，接口和PC的需求，必须将传统DAQ系统的所有功能映射到单个FPGA芯片中。 这在图1中总结。从图中可以看出，基于计算机的DAQP系统的所有所需功能被映射到所提出的便携式多用途系统中。 请注意，FPGA将根据需要设计用于管理子系统通信，处理和存储的所有方面。
特别是，为了使提出的DAQP成为低成本的独立可重构仪器，必须建立以下功能。
能力1：接受具有不同幅度和频率的各种输入信号。期望接受幅度范围从毫伏到伏特的模拟输入电压信号。此外，希望接受从赫兹到兆赫兹的频率范围内的输入信号。这将允许系统同时容纳各种传感器（例如，低频电脉冲，声学，超声波等）。
功能2：执行自动信号调节，例如偏置添加和移除，自适应信号缩放和滤波。只需要有关信号类型的信息。将构建包含滤波器和放大器参数的库。
功能3：要在不需要外部计算机的情况下存储采集的信号，将构建可拆卸的闪存写入模块。将需要网络控制模块以通过因特网将获取的信号安全地传输到经认证的目的地。
能力4：具有内置功能，可对1-D数字信号执行FFT和DCT等数字信号处理。
能力5：针对可变数量的信道执行ADC多路复用接口的自适应调度。如果所有信道具有相同的特性，那么它将等同于循环采样技术（即，均匀采样，每个信道每个信道一个采样）
尽管可以通过现有DAQ技术针对有限和固定数量的信道实现上面列出的一些能力（1-5），但是现有的DAQ都不能够执行自动自适应最优采样。此外，现有DAQ具有以下一个或多个缺点：繁琐，高成本和有限的硬件可扩展性。这是因为在所提出的方法中下面讨论的可重新配置的硬件设计没有得到充分利用。
上述能力需要设计以下模块，这些模块在图1和2中示出。
由于技术限制，现有的多通道ADC转换器具有有限且固定数量的通道[31]，[32]。因此，必须选择架构的设计和最大通道数。此外，现有的多通道转换器使用多个内部ADC调制器。这导致硬件冗余（高成本）并导致同步问题（复杂设计）。为避免硬件冗余和同步问题，可以将单个高速ADC转换器与高速模拟MUX结合使用。但是，当MUX在输入通道之间切换时，瞬态效应发生在ADC输出[33]，[34]。使用超高速ADC [35]，[36]和带通或高通滤波器可以减轻这种影响。
在单个多路复用ADC中，已知采样频率Fx必须大于奈奎斯特的采样频率，即
其中N是通道总数，Bw是输入通道的最高频率成分（最宽带宽）[37]。这意味着单个ADC必须快于奈奎斯特速率乘以通道数。如果输入信号不在相同的频率范围内，则需要优化的ADC调度器来执行自适应采样，而不是使用最高频率来设置采样率。在不影响高频输入通道质量或过采样低频频谱通道的情况下，实现ADC的最佳控制模块是一项挑战。其次，确定最佳调度需要识别输入特征，这在设计时通常是未知的。因此，最佳调度不能是静态的。在概念设计中提出了实时动态（最优）调度。这种调度程序的时序必须准确，以避免频道跳过或数据损坏[38]。它还必须适应从一个应用程序到另一个应用程序的输入功能的变化。
通用主机接口模块（UHIM）是管理和执行各种模拟信号的ADC转换的模块。通过在FPGA内部设计ADC调度器，需要外部（即固定结构，如
[31]和[32]）DAQ设备将被淘汰。 UHIM的概念设计如图2所示.FPGA将具有混合的模拟和数字输入。对于需要同时采集多达30个1-D信号的特定应用，将需要具有30个模拟输入（例如[39]）的FPGA芯片。
对于30多个模拟信号，外部模拟MUX可与FPGA板一起使用。例如，带有嵌入式30模拟输入MUX的Actel FPGA Fusion AFS1500 [40]可以扩展为16个MUX，容量为4：1，可以同时收集多达120个1-D信号，因为时间非常短大约20mu;s，在医学诊断等许多应用中可以忽略不计。
需要多用途电子接口来获取不同类型的输入信号。这将通过图2所示的桥接块实现，该桥接块由将传感器的输出阻抗与模拟滤波器组的输入阻抗相匹配的电路组成。这对于最大化从传感器到DAQ的功率传输是必要的。此外，每个通道将以适当的采样频率进行调制，以最大化同时采集信道的总数。 FPGA中需要一个最佳的ADC调度器来管理ADC MUX的可变切换时间，以便可以在不损失信号质量的情况下对任意大量通道进行采样。
数据存储在数据监控，控制和安全保护中发挥着越来越重要的作用。模拟数据存储随着时间的推移而变形，并且隐私保护性差。另一方面，数字仪器技术以高处理能力而着称，这使得它们能够执行支持诸如通用数据存储之类的功能的智能板载计算。此外，它们还提供了更高的准确性，灵活性和更轻松的数据保护。这是因为从各种模拟信号类型到数字格式的转换简化了通用数据存档并统一了数据保护和通信方案。这适用于1-D时变信号（心电图，电机振动等），以及2-D成像信号（磁共振图像等）。数字便携式设备中数字数据存储的发展标准之一是安全的数字非易失性存储设备，通常称为SD卡或闪存盘。
现有的嵌入式数据存档系统需要嵌入式微型计算机来运行，并且需要实时操作系统（RTOS），它是根据及时的时间表管理每项任务的大脑。为了消除对这两个组件的需求，必须在FPGA内部映射RTOS的功能。鉴于此任务的复杂性，此任务成功的先决条件是在FPGA内部设计新的优化模块以映射RTOS的功能。
为了提供对采集数据的可视化监控，实时存档和监控模块（RAMM）必须与高分辨率图形液晶显示器（LCD）连接，以连续绘制时变信号。高分辨率，低功耗，紧凑和彩色LCD可用于集成在该设备中[41]，[42]。 FPGA必须直接与LCD连接，以最大限度地减少电路元件并降低功耗。
如果建议的DAQP仪器用于需要隐私和远程连接的远程应用，则需要片上硬件可重配置网络控制器模块（NCM）并将其集成到FPGA中。这种控制器将以最小的接口安全地将存储的数据传输到因特网，因此不需要外部网络接口卡。由于FPGA具有可重新配置的资源，因此不需要冗余（高成本）。芯片只包含所需的组件。这反过来又使仪器成本保持在最低水平。
NCM必须使用两个子系统安全地与Internet通信。首先，FPGA将形成包含数据标识号和收集数据的网络数据包。将这些数据安全地发送到经过验证的目的地（例如授权实验室）至关重要。更重要的是，经过验证的实验室必须对假数据来源和仅由合法患者提供的过程样本免疫。如果一个合法用户的便携式手持设备被未经授权的人非自愿地共享，则如果使用认证服务器，则可以在实验室识别和拒绝数据。这可以通过在FPGA中设计基于用于加密和解密目的的任意数字复杂密钥的最佳且灵活的认证算法来实现。
NCM将支持不同的数据记录。当数据存储在闪存中时，必须基于不同类型的传感器（例如，音频传感器，电脉冲传感器和温度计）的唯一标识符来构建数据库。当NCM检索存储的数据记录时，它还将检索诸如时间戳和识别号之类的元数据，这些元数据将嵌入在每个传输包中，以防需要进一步分析。
在基于计算机的系统中，可以使用数据库管理引擎。 但是，在提出的FPGA器件中，不支持这些系统，因为它们需要数据库管理层来添加，更新，删除和搜索记录。 因此，设计数据库分类组件是一项技术挑战，该组件分类组件在目标FPGA芯片上集成了数据库管理层所需的功能。
图3显示了RAMM和NCM的概念设计。 RAMM负责将获取的信号记录在安全的存储介质上。 在记录时将输入用户ID以保护输入信号的隐私。 我们开发了一个子系统，可以将存储的数字数据直接临时写入闪存卡。 该子系统具有最小的接口，因此无需外部闪存控制器。
3.仪器设计和实施
为了以最小的成本和电路尺寸实现
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