一种通用的多通道信号采集接收处理方法及系统与流程

本发明属于嵌入式信号采集，尤其涉及一种通用的多通道信号采集接收处理方法及系统。

背景技术：

1、现代科技与工程领域，信号采集与处理是一项至关重要的技术，它涵盖了从工业控制到科学研究的广泛应用。随着传感器技术的进步和数据获取需求的增加，有效的信号采集方法变得尤为关键。传统的采集控制方法往往面临诸多挑战和限制，例如在多通道信号处理中，数据同步性、精确度和通用性的要求愈发显著。

2、因此，提出一种完善且通用的信号采集接收和处理方法，不仅可以填补传统方法在多通道数据处理中的技术空白，更可以为相关领域的工程师和研究人员提供了一种创新的解决方案，进而推动信号采集技术在未来的进一步发展与应用。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有多通道信号采集过程的可靠性、健壮性和通用性差，不能同时处理多条通道的采集任务。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种通用的多通道信号采集接收处理方法及系统。本发明目的在于解决了现有多通道信号采集技术的不足，提出了一种通用的多通道信号采集接收处理方法，对信号采集的接收和处理各流程实现完全控制，能够提高整体采集过程的可靠性、健壮性和通用性，使得程序能够同时处理多条通道的采集任务，包括信号采集和数据上传等步骤的处理。

2、所述技术方案如下：一种通用的多通道信号采集接收处理方法，包括：

3、s1，驱动初始化，系统上电后，软件对底层所涉及到的各驱动设备进行初始化配置过程；

4、s2，建立链接，初始化配置过程完成后，板卡端与上位机端通过以太网建立收发链接；

5、s3，参数配置，在每次采集任务之前进行，通过上位机发送指定格式以太网报文对采集方式进行控制；

6、s4，数据采集，在参数配置完成后进行，通过上位机远程发送指定格式以太网报文实现开始或停止；

7、s5，数据传输，在数据采集完成后进行，通过组包的形式将有效数据上传到上位机。

8、在步骤s1中，软件对底层所涉及到的各驱动设备进行初始化配置过程，包括：

9、s101、硬件平台初始化，对axi总线、ddr内存、以太网控制器以及dma控制器所用到的驱动进行地址映射，设置各驱动所对应的基地址并设计对应的读写控制函数，通过读写控制函数调用的方式实现基地址加偏移量的读写方式，进而实现对驱动的控制；

10、s102、软件端对fpga端信号采集模块ip核进行参数初始化设置，包括采样通道的使能设置、各通道采样率设置、各通道采样模式设置、各通道采样时间设置、各通道采样次数设置；所述配置参数通过axi lite接口，从arm端发送到fpga端，进而将信号通过ip核的输入端口输入到ip核中；

11、s103、对dma控制器进行初始化设置，将接收和发送都配置为中断模式；初始化中断控制器、定时器控制器和中断异常寄存器等，设置各中断处理函数；初始化以太网，包括mac地址和ip地址的设置以及pcb设置，将网络设置为tcp模式；

12、s104、arm端对fpga端进行复位，通过向自定义复位管脚reset输出高电平保存1us，再拉低，完成fpga端各寄存器变量的初始化过程；

13、s105、初始化任务完成后，通过持续检测chnx_enable信号判断各数据通道是否启用，若该通道使能则进入相应的接收分支函数，若未使能则跳过该通道；通过调用xemacif_input函数处理网络上的上位机传输数据，并监测停止信号recived_flag判断是否有以太网报文输入。

14、在步骤s2中，建立链接，包括：

15、s201、将上位机作为服务器端，设置好相应的以太网ip地址和掩码，进入监听模式等待链接；板卡端作为客户端，在初始化过程完成后主动发起链接与服务器端建立网络链接关系；

16、s202、当两端通过tcp三次握手建立网络链接后，客户端主动向服务器端发送一包指定格式的建立链接报文，以向上位机指示板卡端工作正常；

17、s203、服务器端收到客户端发送来的建立链接报文后，向板卡端回复建立链接应答报文，以向板卡端指示上位机能够正常与之进行数据交互。

18、在步骤s3中，参数配置，包括：

19、s301、在每次采集任务开始前，上位机根据本次采集任务的需求，对采样通道的使能设置、各通道采样率设置、各通道采样模式设置、各通道采样时间设置、各通道采样次数设置进行配置；

20、s302、上位机通过界面设置完各采样参数后，将所述参数打包成一个指定格式的以太网报文，通过网络发送到板卡端；

21、s303、板卡端收到参数报文后，按照指定格式将配置参数提取出来，缓存到相应的变量中，并将变量中的内容通过axi lite接口从arm端发送到fpga端，进而将配置通过ip核的输入端口输入到ip核中，完成采集ip的模式配置；配置完成后，ip核根据既定的模式进行外部采集任务。

22、在步骤s4中，数据采集，包括：

23、s401、采集参数配置完成后，板卡端向上位机端回复一个参数配置应答报文，指示ip核已正确完成参数的配置过程，开始采集任务；

24、s402、上位机发送开始采集报文给到板卡端，板卡端收到报文后，自动进入到接收分支中，根据所设置的采样频率和采样时间计算报文的dma传输的长度、次数和尾部，计算方式为：总长＝次数×单次大小+尾部；

25、s403、确定传输长度、次数和尾部参数后，将控制信息写入axidma通道的控制寄存器中，并调用xaxidma_simpletransfer函数配置dma硬件，从ad转换器读取数据到指定的内存地址区域；进入持续监控dma传输状态的循环，当某通道的dma传输完成，通过xil_dcacheinvalidaterange函数刷新缓存。

26、在步骤s403中，从ad转换器读取数据到指定的内存地址区域，包括：更新接收缓冲区指针rxbufferptrx_r，指向下一个数据块的开始位置，并更新通道的传输计数chnx_cnt，以记录已完成的传输次数；

27、进入持续监控dma传输状态的循环，包括：

28、步骤一，获取传输长度数据、次数数据、尾部数据；对获取的数据进行清洗和处理；

29、步骤二，基于dma传输状态异常监测从时空两个维度确定接收标志位标记符波动特征的异常性，识别控制寄存器对接收标志位标记符的监控行为；

30、步骤三，进行可视化标志位标记符参数设置，基于设置的可视化标志位标记符参数进行识别结果的可视化展示以及整体分析报告的下载。

31、在步骤一中，对获取的数据进行清洗和处理，包括：

32、首先，对获取的数据进行缺失值的处理、数据标准化、异常值的检测处理；

33、其次，对接收标志位标记符数据的多时间维度进行聚合和转换，将处理后的数据存储入预先构建的基础库、主题库中。

34、在步骤二中，基于dma传输状态异常监测从时空两个维度确定接收标志位标记符波动特征的异常性，识别控制寄存器对接收标志位标记符的监控行为，包括：

35、(1)对处理后的数据进行聚类分析，得到多个分组，并计算每个控制寄存器所在分组的组内相关系数和组间相关系数，得到具有接收标志位标记符串的特征和具有监控特征的数据；

36、(2)dma传输状态异常监测：利用普通最小二乘法计算传输时间维度t和空间维度p的估计值，并得到对应的残差和；表达式为：

37、

38、

39、式中，l为传输状态异常监测点数量，i为第i个传输状态异常监测点，ai1为组内第i监测点在第1时刻的相关系数值，ρ1,t-i为传输时间下前移组内第i监测点下第1时刻信号传输密集度，g(zt)为多个传输时间下信号传输重力度，ε1,t为传输时间下第1时刻信号的偏差，βi1为空间中第i个传输状态异常监测点第1时刻组间相关系数，ρ2,t-i为空间中传输时间下前移组内第i监测点下第2时刻信号传输密集度，η1,t为空间中传输时间下第1时刻信号的偏差；

40、(3)比较不同分割方式得到的残差和，取最小残差和的分割；

41、(4)对时间序列的生成过程是否发生标记位变化进行显著性检验，得到若干个标记位异常变化监测点，对相邻两个标记位异常变化监测点划分出的时间区间检验是否产生了具有长期记忆性的波动，并构建接收标志位标记符变动识别表；

42、(5)对所有控制寄存器建立空间相关性模型，根据聚类分析所得的不同分组，采用相关系数分析计算每个控制寄存器所在分组的组内相关系数和组间相关系数，得到具有接收标志位标记符串的特征和具有监控特征的数据；

43、所述空间相关性分析模型如下：

44、

45、式中，δt为空间相关度，a0为组内相关系数初始值，m为组内第m监测点，ai为组内第i监测点的相关系数值，at-i为传输时间维度t下前移组内第i监测点相关系数值，j为第j组组间点，s为分组组间的数量，βj为第j组组间点组间相关系数，δt-j为传输时间维度t下前移组间第j组组间点的空间相关度；

46、在步骤(1)中，计算每个控制寄存器所在分组的组内相关系数和组间相关系数，得到具有接收标志位标记符串的特征和具有监控特征的数据包括：

47、1)在时间维度下，计算两个时间序列之间是否具有类似的变化趋势，表达式为：

48、

49、式中，cort(xt,yt)为两个时间序列之间类似的变化趋势，t为传输时间维度值，t为传输时刻，xt+1为在传输时间维度值t+1下的x时间序列，xt为在传输时间维度值t下的x时间序列，yt+1为在传输时间维度值t+1下的y时间序列，yt为在传输时间维度值t下的y时间序列；

50、2)确定cort(xt,yt)的性质：-1≤cort(xt,yt)≤1，其中，cort(xt,yt)＝1表示两条时间序列持有相同的趋势，会同时上行或者下行，并且涨幅或者跌幅相同；cort(xt,yt)＝-1表示两条时间序列的上行和下行趋势相反；cort(xt,yt)＝0表示两条时间序列在单调性方面没有相关性；

51、3)对于出现接收标志位标记符结构变化并进入到接收标志位标记符变动期的控制寄存器，所在组的组内多个控制寄存器具有较强的系统相关性，而组间相关性较弱：组内组间相关性呈现出高值-低值的特征，判断几个具有支配能力的控制寄存器进行接收标志位标记符领导的概率增大，具有接收标志位标记符串谋的特征；任意出现接收标志位标记符结构变化并进入到接收标志位标记符变动期的控制寄存器，组内组间相关性呈现出低值-低值的特征，判断所述控制寄存器具有监控特征。

52、在步骤s5中，数据传输，包括：

53、s501、数据采集完成后会将有效数据缓存到内存区域，首先计算采集到的数据长度为多少，按照以太网单次传输最大限制长度进行合理的划分，计算出需要传递的次数；

54、s502、在发送有效数据前，板卡端首先向上位机发送一包指示报文，通知上位机端准备接收有效数据并说明有效数据长度；接着发送指定包有效数据报文；

55、s503、上位机端接收指定包有效数据报文的同时进行计数，在接收完毕后，与第一包报文中的有效数据长度进行比较，检查是否丢数，数据量正确后再进行crc校验判断接收到的数据是否正确，若接收到的数据长度和内容都正确，向板卡端回复数据传输完成报文，标志着传输结束。

56、本发明的另一目的在于提供一种通用的多通道信号采集接收处理系统，该系统实施所述通用的多通道信号采集接收处理方法，该系统包括：

57、驱动初始化模块，用于系统上电后，软件对底层所涉及到的各驱动设备进行初始化配置过程；

58、建立链接模块，用于初始化配置过程完成后，板卡端与上位机端通过以太网建立收发链接；

59、参数配置模块，用于在每次采集任务之前进行，通过上位机发送指定格式以太网报文对采集方式进行控制；

60、数据采集模块，用于在参数配置完成后进行，通过上位机远程发送指定格式以太网报文实现开始或停止；

61、数据传输模块，用于在数据采集完成后进行，通过组包的形式将有效数据上传到上位机。

62、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的有益效果为：本发明的接收处理方法中的过程部分包括驱动初始化、建立链接、参数配置、数据采集和数据传输。基于所述步骤能够实现对信号采集的接收和处理各流程阶段的准确控制，进而提高整体采集过程的可靠性、健壮性和通用性。与现有技术相比，本发明所提到的各项步骤，在数据采集整体过程中有着不可或缺的作用，两端交互过程中所涉及到的双向握手交互方式使得通讯更加可靠，进而取代了信号采集系统单向传输且无状态反馈的传统方法。通过对数据采集的整个过程进行分解、细化和设计，使得本发明所提到的接收处理方法能用适用于各种信号采集场景，是一种通用的方法。

技术特征：

1.一种通用的多通道信号采集接收处理方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的通用的多通道信号采集接收处理方法，其特征在于，在步骤s1中，软件对底层所涉及到的各驱动设备进行初始化配置过程，包括：

3.根据权利要求1所述的通用的多通道信号采集接收处理方法，其特征在于，在步骤s2中，建立链接，包括：

4.根据权利要求1所述的通用的多通道信号采集接收处理方法，其特征在于，在步骤s3中，参数配置，包括：

5.根据权利要求1所述的通用的多通道信号采集接收处理方法，其特征在于，在步骤s4中，数据采集，包括：

6.根据权利要求5所述的通用的多通道信号采集接收处理方法，其特征在于，在步骤s403中，从ad转换器读取数据到指定的内存地址区域，包括：更新接收缓冲区指针rxbufferptrx_r，指向下一个数据块的开始位置，并更新通道的传输计数chnx_cnt，以记录已完成的传输次数；

7.根据权利要求6所述的通用的多通道信号采集接收处理方法，其特征在于，在步骤一中，对获取的数据进行清洗和处理，包括：

8.根据权利要求6所述的通用的多通道信号采集接收处理方法，其特征在于，在步骤二中，基于dma传输状态异常监测从时空两个维度确定接收标志位标记符波动特征的异常性，识别控制寄存器对接收标志位标记符的监控行为，包括：

9.根据权利要求1所述的通用的多通道信号采集接收处理方法，其特征在于，在步骤s5中，数据传输，包括：

10.一种通用的多通道信号采集接收处理系统，其特征在于，实施如权利要求1-9任意一项所述通用的多通道信号采集接收处理方法，该系统包括：

技术总结
本发明属于嵌入式信号采集技术领域，公开了一种通用的多通道信号采集接收处理方法及系统。该方法驱动初始化、建立链接、参数配置、数据采集和数据传输。基于所述步骤能够实现对信号采集的接收和处理各流程阶段的准确控制，进而提高整体采集过程的可靠性、健壮性和通用性。本发明所提到的各项步骤，在数据采集整体过程中有着不可或缺的作用，两端交互过程中所涉及到的双向握手交互方式使得通讯更加可靠，进而取代了信号采集系统单向传输且无状态反馈的传统方法。通过对数据采集的整个过程进行分解、细化和设计，使得本发明所提到的接收处理方法能用适用于各种信号采集场景。

技术研发人员：赵旭琛
受保护的技术使用者：天津津航计算技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5