作者：刘力强
摘　要　　在实验室多通道高速数据采集系统中应用分布式并行控制技术,研制开发了32 通道、12 位精度、最高50Mhz 采样率、每秒钟可以记录1 000 个以上声发射事件全波形的记录仪。这一系统的综合技术指标在国际上同类实验室中将处于领先地位。文中简要介绍了该系统的关键技术与主要性能。
关键词　　声发射　高速数据采集　并行控制
0 　引言
岩石的破坏是微破裂逐步发展造成的,它从小变大,从稀疏到密集,微裂纹相互连接聚合为大破裂面,破裂面摩擦滑动失稳,最终造成雪崩式破坏。声发射就是来自破裂与摩擦源的振动信号。声发射在小尺度样品上、实验室可控条件下再现了天然地震、矿山水库诱发地震与岩爆等灾害事件的发展过程与发生机制。这些灾害事件都发生在地下深部,难以直接观测其物理过程。因此,研制高水平的观测记录系统,推动声发射研究的进步,具有重要的科学价值与社会意义。
实验表明,声发射信号的观测非常困难。从时间上看,它的发生频度变化很大,从几十秒发生1 次,到1 秒钟发生几千次;从空间上看,要获得有意义的AE 分布图像,必须达到毫米级的定位精度;AE 信号的强度范围至少在6 个数量级以上,频率范围覆盖从几万赫兹到近百万赫兹的频段(Xinglin , 1998) 。因此,在岩石力学实验室中,AE 研究几乎成为最富有挑战性的工作,全波形AE 观测也成为变化最快与最昂贵的技术之一(Byerleeet al . ,1977 ,Satoh et al . ,1997 ,Lei et al . ,1998) 。
采样频率、动态范围与通道数是评价一个全波形声发射观测系统性能的基本指标。从20 世纪80 年代以来,随着模数转换技术的发展,声发射的数据采集频率从10MHz 逐步提高到了40MHz ,采样分辨率(或动态范围) 从8bit 提高到12bit (刘力强,2000) 。随着声发射空间定位需求的增长,声发射系统的采样通道数也迅速扩展,从经典的8 个通道增加到32 通道。这些指标的大幅度提高有效地改善了对声发射波形的记录精度,但同时也使记录数据量猛增。例如,如果一次声发射事件波形记录在80 年代系统上产生的数据量是8Kbyte ,那么在最新系统上产生的数据量就可能是320Kbyte。所有数据需要从数据采集系统的高速缓存器中,通过通讯接口转移到计算机的外存储器上。数据转移需要占用相当的时间,在转移过程中,整个采集系统处于关闭等待状态。习惯上,这段时间被称为“死时间”(图1) 。考虑到在岩石失稳破坏阶段,声发射事件发生频度可能达到每秒钟上千次,可能产生的突发数据量将达到每秒几百万字节。从高速缓存器中把如此巨大的数据量高速转移到计算机的外存储设备上,会产生大量的“死时间”,大大降低声发射系统的观测能力。

实际上,以往的声发射系统每秒钟只能转移几个或几十个声发射事件的数据。可见,在岩石样本失稳破坏阶段,它们可能丢失了绝大部分的声发射数据,因此后续的分析研究必然包含很大的偏差。如果沿用原有的数据转移通讯方式,采用新采样技术指标的系统而产生的更大量的数据将使“死时间”再延长几十倍,使系统几乎完全丧失观测记录能力。因此,提高声发射观测系统的数据转移速度,成为研制新一代声发射观测系统的关键技术问题之一。
1 　超高速数据传输总线
提高声发射观测系统数据转移速度的首要技术是采用适当的数据传输总线。数据传输总线是从瞬态信号模数转换器的高速缓存向计算机传输数据的出口,以往是影响数据转移速度的最大瓶颈。20 世纪80 年代,早期的全波形数据采集系统曾经采用通用低速串行通讯技术,例如RS232 , IEEE488 等,传输速度远远不能满足需要,因此很快就被淘汰了。为加快数据传输速度,后来的声发射系统大都采用了符合标准总线规范的专用并行接口,例如ISA、EPP 等。这些并行接口显著提高了数据传输速度,从90 年代开始到20 世纪末,声发射的死时间从500～600ms 逐步缩短到50ms 左右,即每秒钟可以记录20 个左右的声发射事件的8 至16 通道或测点的全波形。然而,这已经达到了这类并行总线的传输极限(Winn ,1994) 。为进一步提高传输速度,本世纪初,开始有人尝试使用PCI 并行总线技术。实测结果表明,它大约仅仅能使传输速度再提高3 倍左右,发展潜力不大。
早期的USB1. 1 接口速度很慢,与EPP 接近,没有实用价值。近年来得到广泛应用的USB2. 0 (通用串行接口总线) 接口理论上使速度提高了40 倍,成为声发射系统新型传输接口的最佳选择。经检测,普通的USB2. 0接口采用DMA 块传技术,实测最高传输速度为17MBytes/ s 左右(萧世文,2002) 。我们开发了更高速的UD2MA 块传技术,使传输速率达到了32MBytes/ s。从USB 规范的原始设计上看,尽管它速度很快,但主要应用于大量成块数据的连续传输或数据流传输,因此主要应用于硬盘、数码摄像机、扫描仪等设备,不适应声发射记录这种频繁突发式的高精度计时小块数据传输。经过上位机与下位机的软硬件设计,我们已经掌握了一种专用的控制技术(U – USB2. 0) ,使声发射系统的数据传输既保持了USB 高速的特点,又保证了声发射的时间控制精度。
USB 接口技术的引入,不仅大幅度地提高了传输速度,而且由于这个接口可以使外部设备与计算机总线完全隔离,明显提高了数据采集的信噪比,这在高速数据采集方面是非常重要的优良特性。
2 　多总线并行数据传输
本项目的设计目标是32 个信号记录通道,采样分辨率12bit (每次AD 转换数需要2Bytes 存储) 。以记录长度为4KWord(8Kbytes) 计算,每次系统触发记录,就会在32 个通道中产生256KByte 数据。假如在岩石破裂阶段,每秒发生1 000 次声发射事件,那么1 秒钟产生的突发总数据量就可能达到256Mbytes。因此,尽管U -USB2. 0 可以使传输速度提高到32MByte/ s ,但是这与观测要求还有相当的差距。
传统的声发射系统基本采用单个数据通讯接口,在每次记录完成后,所有通道的数据都要通过这一个接口逐个传输到计算机的外存器上去,这对接口速度提出了极高的要求,目前还没有哪种性能合适的技术可以选择。为解决这个问题,我们建立了一个并行控制的计算机机群采样系统,即为每一个数据采集通道提供单独的超高速数据通讯接口,一个单独的外存储器,由一台专用的计算机独立控制,多台控制机组成一个具有多个信号通道的数据采集器(图2) 。这项技术成倍地拓宽了数据传输总线的宽度,因此也成倍地提高了数据的吞吐量。1 套由32 台子机组成的机群的瞬态数据流量可以达到1 024Mbytes/ s ,能适应声发射观测的需要。

把原来集成在1 台机箱中的多个数据采集通道分配到多台计算机中,所产生的最主要问题是如何保证各通道间的同步。同步问题可以分为2 个层面来考虑:一个是在高速数据采集状态下的实时控制同步,另一个则是在系统参数设定、数据库管理状态下的信息共享同步。利用OL E(Object Linking and Embedding) 技术开发的远程控件是系统内各单元同步运行的基础。在运行状态下,系统产生2～3ns 的脉冲开关,并行控制各个子板的同步触发与清零动作,保证同步时间误差小于1 个采样间隔。另外,系统还通过高速开关板,提供2μs 的开关指令,并行控制各个采样单元的数据转移与存盘进程。触发与清零开关指令保证了在最短采样间隔20ns 精度上的并行采样同步,数据转移与存盘指令保证了在最短采样长度20μs (以50MHz ,1 024 点计算) 精度上的并行进程同步。在参数设定或数据库管理状态下,各单元的控件通过高速局域网相互对话,信息与数据包以毫秒级速度在它们之间传递,系统操作者可以随意设定运行参数或调用管理数据库。
作为一种高速数据采集系统,声发射观测仪器集中反映了当代最新的电子技术在岩石力学与地球物理模拟实验中的应用水平,一直是国际上的竞争热点。由于中国的元器件制作工艺明显落后,各个实验室一般以购买国外成套设备为主,多年来我们在这个领域中只能努力追踪别人的脚步,而难以超越。尽管目前我们在器件性能上还无法取得突破性进展,但是在结构与系统设计上完全可以走一条独立创新的路线。本项目在引入国际上最新器件的基础上,全部软硬件自主设计开发。经实际测试,系统在12bit 的动态范围上,最快可以50MHz 的采样频率记录声发射的振动波,采样长度从2Kword 至32Kword 可调,系统由32 个采样通道组成。
系统采用分布式并行控制技术,大幅度提高了数据传输效率,预计“死时间”将小于1ms。这个系统的建成,将使中国在声发射观测技术领域达到世界领先地位。
本系统的数据采集与时间同步部分的硬件技术开发工作由陆志梁完成,USB 数据接口部分由张智河完成,特此致谢。