PXDAQ18373E是鵬翔科技(長沙)歷時(shí)六年開發(fā)成功的一款高精度高速率的聲發(fā)射采集卡，該卡具有真實(shí)的18bit采樣精度和每通道30M/S的采樣率，采用標(biāo)準(zhǔn)的PICE2.0x8接口，數(shù)據(jù)通過率高達(dá)2.6GB/s。除了硬件提取特征參數(shù)和聲發(fā)射波形外，還可全速實(shí)時(shí)傳輸波形流，適合大學(xué)，研究所和檢測機(jī)構(gòu)的聲發(fā)射應(yīng)用。
大致來說，聲發(fā)射儀器經(jīng)歷了四個(gè)階段的發(fā)展，也可認(rèn)為前面經(jīng)歷了四代聲發(fā)射儀。
階段，1965年，美國Dunegan推出了臺商業(yè)化的聲發(fā)射儀，一直到1983年基本都是純模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)的聲發(fā)射儀，也是代聲發(fā)射儀，信號帶寬100kHz-1MHz；
第二代聲發(fā)射儀，1983~1994年，美國PAC的SPARTAN-AT開始引入微處理器，并將聲發(fā)射系統(tǒng)模塊化，部分?jǐn)?shù)字化，信號帶寬提高到100kHz~1.2MHz；
第三代聲發(fā)射儀，1994~2003年，美國DW、美國PAC和德國Vallen將聲發(fā)射儀全面數(shù)字化，聲發(fā)射傳感器接收到的信號經(jīng)過放大器放大之后直接經(jīng)AD變換器專為數(shù)字信號，然后用數(shù)字電路硬件提取特征參數(shù)，并按照PDT、HDT、HLT等時(shí)間常數(shù)來提取聲發(fā)射波形，信號帶寬拓寬到1kHz~2MHz；
第四代聲發(fā)射儀，2003~2015年，美國PAC將18bit的高速ADC引入PCI總線聲發(fā)射卡，開啟了18bit的高精度采集，除了特征參數(shù)和波形外，還啟用了包含全部原始信息的波形流功能。在此期間，USB接口的聲發(fā)射儀也開始出現(xiàn)，并逐步從USB2.0發(fā)展到USB3.0，總線傳輸速度也從40MB提高到400MB，信號帶寬提高到1kHz~3MHz；
雖然第四代聲發(fā)射儀擁有了18bit高采樣精度以及高采樣率，但由于PCI或USB總線的帶寬限制，只能傳輸聲發(fā)射特征參數(shù)和根據(jù)PDT、HDT和HLT提取的有限的聲發(fā)射波形，大部分的原始波形流數(shù)據(jù)都只能丟失而無法上傳到計(jì)算機(jī)?；蛘呤且杂邢薜膸拋韨鬏敳糠植ㄐ瘟?，譬如單塊PCI卡的總采樣率不超過10M時(shí)可以傳輸波形流。而聲發(fā)射研究的信號頻率逐漸提高（日本富士公司甚至推出了10MHz頻率的聲發(fā)射傳感器REF10M），使得采樣率也逐步提高，而且傳統(tǒng)的特征參數(shù)和聲發(fā)射特征波形的分析方法無法滿足用戶日益增長的研究需求，因此提高聲發(fā)射卡的帶寬迫在眉睫。于是鵬翔科技從2009年開始封閉式研發(fā)，并在2015年底推出了PCIE總線的聲發(fā)射卡，單卡8通道，每通道18bit30M采樣，頻率帶寬高達(dá)1kHz~5MHz，且采用PCIE x8倍速傳輸，板卡傳輸帶寬高達(dá)2.6GB/s，第四代聲發(fā)射儀存在的傳輸瓶頸得到解決。除了聲發(fā)射特征參數(shù)和波形的硬件實(shí)時(shí)提取之外，波形流功能也得以不受帶寬限制的全速采集和實(shí)時(shí)傳輸。同時(shí)，適合分布式檢測的千兆網(wǎng)接口的網(wǎng)絡(luò)聲發(fā)射儀開始出現(xiàn)，并將逐步向萬兆光纖傳輸發(fā)展，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的分布式聲發(fā)射檢測。同時(shí)聲發(fā)射儀器的信號帶寬提高到1kHz~5MHz，這也意味著第五代的聲發(fā)射儀開始大量投入市場應(yīng)用并逐漸得以普及。
每塊PXDAQ18373E擁有8個(gè)獨(dú)立的高速同步采集通道，在普通計(jì)算機(jī)或工控機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)8~56通道的聲發(fā)射儀。如配合16槽的PCIE機(jī)箱，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)128通道的聲發(fā)射信號采集分析。另外，每塊聲發(fā)射卡還可同步采集10路外參數(shù)，多卡可累加使用。
PXDAQ18373E聲發(fā)射卡采用了高集成、高密度的12層PCB結(jié)構(gòu)，具有18位的高精度，每塊卡8個(gè)通道，每通道高達(dá)30M的采樣率，并且采用了PCIE2.0 x8總線的DMA傳輸，數(shù)據(jù)帶寬達(dá)到了驚人的2.6GB/s。由于其具有高性能、低噪聲和高速度等特點(diǎn)，是適合大學(xué)、研究所和檢測機(jī)構(gòu)應(yīng)用的聲發(fā)射采集卡。
由于采用了Xilinx公司的KINTEX-7高性能FPGA，PXDAQ18373E聲發(fā)射卡能硬件實(shí)時(shí)提取22種聲發(fā)射特征參數(shù)，分別是：幅度、能量、振鈴計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間、信號均方根值、平均信號電平、電壓閥值、上升時(shí)間、峰值計(jì)數(shù)、平均頻率、反算頻率、初始頻率、信號強(qiáng)度、頻率、局部功率譜、質(zhì)心頻率、峰值頻率、能量、到達(dá)時(shí)間、循環(huán)計(jì)數(shù)、阻尼、模態(tài)。
PXDAQ18373E除了實(shí)時(shí)提取特征參數(shù)和根據(jù)PDT、HDT和HLT時(shí)間常數(shù)來提取聲發(fā)射波形外，還可以所有通道全速采集并實(shí)時(shí)傳輸原始的波形流文件。這是迄今為止世界上其他聲發(fā)射產(chǎn)品所無法實(shí)現(xiàn)的。
由于規(guī)?；?jīng)營和批量化生產(chǎn)，鵬翔科技是國內(nèi)為數(shù)不多的滿足ISO9001質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的聲發(fā)射技術(shù)公司。PXDAQ18373E聲發(fā)射卡為高集成、高密度、多層（12層）PC卡，板卡的設(shè)計(jì)、自動(dòng)貼片、回流焊、組裝、檢測等所有工作都由本公司獨(dú)立完成。下圖為生產(chǎn)這種卡的表面貼裝技術(shù)（SMT）生產(chǎn)線和可靠性測試的部分設(shè)備。
不同于并行的PCI總線，PCI Express插槽利用了串行點(diǎn)對點(diǎn)的連接。每個(gè)數(shù)據(jù)鏈路（Lane）可實(shí)現(xiàn)500 MB/s的傳輸速度。PXDAQ18373E采用基于x8通道的PCI Express 2.0技術(shù)，其明顯的優(yōu)勢就是每個(gè)獨(dú)立的板卡上，每槽的直接連接都可以支持的傳輸帶寬。PXDAQ18373E聲發(fā)射卡可以使用在2.0和3.0標(biāo)準(zhǔn)的PCI Express插槽中，如x8或x16。
PAW聲發(fā)射工作站共有9個(gè)系列，其中采用PAW7工作站可實(shí)現(xiàn)單機(jī)80通道，采用PAW8可實(shí)現(xiàn)單機(jī)128通道，采用PAW9可實(shí)現(xiàn)單機(jī)768通道（使用6臺16槽PCIE擴(kuò)展塢）。
PXDAQ18373E高精度高速率高帶寬8通道PCIE聲發(fā)射卡技術(shù)參數(shù)一覽表
| 電氣參數(shù) |
| 聲發(fā)射通道 | 通道數(shù) | 8通道/卡 |
| | AD采樣精度 | 18bit（最小量化臺階為76.3微伏） |
| 每通道采樣率 | 30MSPS |
| 信號頻率帶寬 | 1kHz~5MHz |
| 數(shù)據(jù)通過率 | 2.6GB/s（PCIE2.0x8接口） |
| 信號輸入范圍 | ±10、±5、±2.5V，程控可選 |
| 動(dòng)態(tài)范圍 | ＞85dB |
| 門檻 | 14dB |
| 功耗 | 30W |
| 輸入阻抗 | 50Ω或1000Ω（通過撥碼開關(guān)選擇） |
| 向前置放大器供電 | 28V（限流83mA，通過撥碼開關(guān)選擇供電與不供電） |
| AST功能 | 自動(dòng)傳感器測試（需前置放大器配合） |
| 信號處理 | AE信號增益 | 0dB或6dB增益程控可選 |
| | 模擬濾波器 | 4個(gè)高通和4個(gè)低通濾波器可任意組合為15個(gè)濾波頻段 |
| | 4個(gè)高通（1kHz、20kHz、100kHz、200kHz） |
| 4個(gè)低通（200kHz、400kHz、2MHz、5MHz） |
| 數(shù)字濾波器 | 8個(gè)上限值和8個(gè)下限值可組合為45個(gè)濾波頻段 |
| | 8個(gè)上限值（200k/300k/400k/600k/800k/1M/2M/5MHz） |
| 8個(gè)下限值（100k/200k/300k/400k/500k/700k/900k/1.2MHz） |
| 采樣率設(shè)置 | 100k、200k、500k、1M、2M、5M、10M、20M、30MSPS |
| 信號幅度 | 100dB（ASL 99dB） |
| 特征參數(shù)提取 | 幅度、能量、振鈴計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間、信號均方根值、平均信號電平、電壓閥值、上升時(shí)間、峰值計(jì)數(shù)、平均頻率、反算頻率、初始頻率、信號強(qiáng)度、頻率、局部功率譜、質(zhì)心頻率、峰值頻率、能量、到達(dá)時(shí)間、循環(huán)計(jì)數(shù)、阻尼、模態(tài) |
| |
| 聲發(fā)射波形提取 | 根據(jù)PDT、HDT、HLT三個(gè)時(shí)間常數(shù)來提取 |
| 原始波形流 | 8個(gè)通道，每通道30M采樣，全速波形采集并實(shí)時(shí)傳輸 |
| 外參數(shù)通道 | 通道數(shù) | 10通道/卡，多卡可累加使用 |
| | AD采樣精度 | 18 bit(最小量化臺階為76.3微伏) |
| 每通道采樣率 | 100kSPS |
| 信號輸入范圍 | ±10V、±1V、±0.1V、±0.01V，程控可選 |
| 時(shí)間驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)率 | 1 ~600毫秒，程控可選 |
| 電壓時(shí)間門 | 第1個(gè)和第2個(gè)外參數(shù)通道可用電壓時(shí)間門功能 |
| 輔助I/O | 數(shù)字I/0 | 8通道數(shù)字信號輸入8通道數(shù)字信號輸出 |
| | 循環(huán)加載疲勞計(jì)數(shù) | 外參數(shù)通道1~8中的任一通道或第7個(gè)數(shù)字信號輸入通道 |
| 觸發(fā)輸入輸出 | 輸入（第8個(gè)數(shù)字輸入通道），輸出（第8個(gè)數(shù)字輸出通道） |
| 音頻輸出 | 軟件控制的外差混頻器，內(nèi)置無源蜂鳴器，可對外輸出音頻信號 |
| 撞擊指示燈 | 可通過輸出插座外接LED指示燈板（PXDAQ-LED） |
| 物理及環(huán)境參數(shù) |
| | 板卡尺寸 | PCIE半長卡（長240mm x 高106mm x 厚18mm） |
| 重量 | 356g |
| 聲發(fā)射通道連接器 | SMB *8 |
| 外參數(shù)通道連接器 | BNC *2（另外8路從DB15插座擴(kuò)充） |
| 工作溫度 | 0~+55℃ |
| 存儲溫度 | -20~ +60℃ |
Q1：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡為何采用PCIE x8總線，有什么好處？
A1：雖然第四代聲發(fā)射儀擁有了18bit高采樣精度以及高采樣率，但由于PCI或USB總線的帶寬限制，只能傳輸聲發(fā)射特征參數(shù)和根據(jù)PDT、HDT和HLT提取的有限的聲發(fā)射波形，大部分的原始波形流數(shù)據(jù)都只能丟失而無法上傳到計(jì)算機(jī)。傳統(tǒng)的特征參數(shù)和聲發(fā)射特征波形的分析方法已經(jīng)無法滿足用戶日益增長的研究需求，而且聲發(fā)射研究的信號頻率逐年提高，使得采樣率也逐步提高（采樣率至少需要在信號頻率的5倍以上），采樣率的提高意味著對傳輸帶寬的要求也是水漲船高，以5MHz的信號為例，用6倍頻采樣的話，就是30M采樣率，即便是16bit精度，單個(gè)通道的波形流數(shù)據(jù)就需要60MB/s的帶寬，8個(gè)通道需要480MB/s帶寬，傳統(tǒng)的USB2.0和3.0均無法滿足波形流的傳輸要求。18bit采樣的話對帶寬要求更高，因此，PXDAQ18373E聲發(fā)射卡采用了PCIE x8總線，實(shí)際傳輸帶寬高達(dá)2.6GB/s，也就是20.8Gb/s。是PCI總線（實(shí)際約130MB/s）的20倍，是USB2.0帶寬（實(shí)際約40MB/s）的65倍，是USB3.0帶寬（實(shí)際約400MB/s）的6.5倍。
Q2：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡為何每個(gè)通道都采用獨(dú)立ADC，如何驗(yàn)證？
A2：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡的采用了4個(gè)雙通道的ADC，每個(gè)雙通道ADC里擁有2個(gè)獨(dú)立的ADC通道，也就是8個(gè)通道采用了8路獨(dú)立的ADC。因?yàn)槁暟l(fā)射需要高精度的同步和很高的通道隔離度，所以主流的聲發(fā)射廠商都會采用獨(dú)立通道ADC。如果多個(gè)通道共用一個(gè)ADC芯片，只能采用輪詢采樣的方式，這樣會帶來兩個(gè)不良后果，一是同步性很難保證，當(dāng)通道采樣時(shí)，其他通道的數(shù)據(jù)是無法被采樣到的；二是由于ADC內(nèi)采樣保持電容的充放電需要時(shí)間，因此在1通道有個(gè)大的信號進(jìn)來時(shí)，即便2通道沒有信號進(jìn)來，由于1通道采樣保持電容尚未放電，因此2通道也會有采樣數(shù)據(jù)。雖然在上位機(jī)的波形圖上看上去比較好看，但這時(shí)已經(jīng)不是真實(shí)的信號了。PXDAQ全系列采集卡的各個(gè)通道均采用獨(dú)立ADC，就是為了確保各通道數(shù)據(jù)的高度同步和每個(gè)通道數(shù)據(jù)的真實(shí)性。
Q3：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡的精度是多少位，如何驗(yàn)證？
A3：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡的精度是18位的，除了查看板卡上的ADC芯片型號外，還可將PXAES軟件的門檻設(shè)為0，然后空采，再將聲發(fā)射波形轉(zhuǎn)為txt文本格式，可以看到最小值為76.3微伏，也就是18bit的最小量化臺階，即可驗(yàn)證ADC的采樣精度。而且PXDAQ18373E聲發(fā)射卡上的每一個(gè)芯片都沒有打磨，所有參數(shù)指標(biāo)都經(jīng)得起推敲和驗(yàn)證。
Q4：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡的采樣率是多少，如何驗(yàn)證？
A4：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡每通道的采樣率是30MSPS，除了查看板卡上的ADC芯片型號外，還可用PXAES軟件來連續(xù)采集正弦波，將采樣率設(shè)為30M，連續(xù)采集一定時(shí)間段，再查看存儲的波形流的數(shù)據(jù)大小，即可推算出單通道的采樣率。而且PXDAQ18373E聲發(fā)射卡每個(gè)通道是獨(dú)立的AD，且不受總線帶寬的限制，可以8個(gè)通道全速采集并實(shí)時(shí)存儲。
Q5：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡的信號頻率帶寬是多少，如何驗(yàn)證？
A5：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡的信號頻率帶寬是1kHz~5MHz，除了查看板卡上的模擬濾波器芯片型號外，還可用PXAES軟件來實(shí)際采集5MHz的信號看波形是否有失真。雖然根據(jù)奈奎斯特采樣定理采樣率只需達(dá)到信號頻率的兩倍即可采集信號，但實(shí)際上需要5倍頻甚至10倍頻才能保證信號的不失真，因此PXDAQ18373E將采樣率設(shè)為30M，在采集5MHz信號時(shí)可以達(dá)到6倍頻，因而保證了聲發(fā)射信號的高保真。
Q6：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡的聲發(fā)射特征參數(shù)是硬件提取的嗎，具體可提取哪些聲發(fā)射參數(shù)？
A6：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡采用了Xilinx公司的KINTEX-7高性能FPGA，可硬件實(shí)時(shí)提取22種聲發(fā)射特征參數(shù)，分別是：幅度(amplitude)、能量(energy)、振鈴計(jì)數(shù)(counts)、持續(xù)時(shí)間(duration)、信號均方根值(RMS)、平均信號電平(ASL)、電壓閥值(threshold)、上升時(shí)間(rise time)、峰值計(jì)數(shù)(counts to peak)、平均頻率(average frequency)、反算頻率(reverberation frequency)、初始頻率(initiation frequency)、信號強(qiáng)度(signal strength)、頻率(absolute frequency)、局部功率譜(partial powers)、質(zhì)心頻率(frequency centroid)、峰值頻率(peak frequency)、能量(absolute energy)、到達(dá)時(shí)間(arrival time)、循環(huán)計(jì)數(shù)(cycle counter)、阻尼(damping)、模態(tài)(modal)。
Q7：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡除了特征參數(shù)外，還可提供什么聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)？
A7：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡除了特征參數(shù)外，還可根據(jù)PDT、HDT和HLT時(shí)間常數(shù)來提取聲發(fā)射波形，并且可以所有通道全速采集并實(shí)時(shí)傳輸原始的波形流文件。因?yàn)镻XDAQ18373E采用了PCIE2.0x8的高速總線，實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸帶寬高達(dá)2.6GB/s(即20800Mb/s，是PCI總線理論帶寬的19倍多，是USB2.0總線理論帶寬的43倍)，這是目前世界上其他聲發(fā)射產(chǎn)品所無法實(shí)現(xiàn)的。
Q8：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡如果多塊同時(shí)使用，傳輸帶寬會有降低嗎？
A8：不同于并行的PCI總線，PCI Express插槽利用了串行點(diǎn)對點(diǎn)的連接。每個(gè)數(shù)據(jù)鏈路（Lane）可實(shí)現(xiàn)500 MB/s的傳輸速度。PXDAQ18373E采用基于x8通道的PCI Express 2.0技術(shù)，其明顯的優(yōu)勢就是每個(gè)獨(dú)立的板卡上，每槽的直接連接都可以支持的傳輸帶寬。PXDAQ18373E聲發(fā)射卡可以使用在2.0和3.0標(biāo)準(zhǔn)的PCI Express插槽中，如x8或x16。
Q9：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡最多支持多少塊卡同步采集？
A9：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡采用了標(biāo)準(zhǔn)的PCIE2.0x8總線，系統(tǒng)整機(jī)的通道數(shù)主要取決于PCIE插槽的數(shù)量，用戶可將PXDAQ18373E插入普通的商用計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)單機(jī)8~48通道的聲發(fā)射儀。也可選配PAW聲發(fā)射工作站，共有9個(gè)系列，其中采用PAW7工作站可實(shí)現(xiàn)單機(jī)80通道（11個(gè)PCIE槽），采用PAW8可實(shí)現(xiàn)單機(jī)128通道（采用EB16型16槽PCIE擴(kuò)展塢），采用PAW9可實(shí)現(xiàn)單機(jī)768通道（采用一臺計(jì)算機(jī)連接6臺EB16型16槽PCIE擴(kuò)展塢）。
Q10：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡支持二次開發(fā)嗎？
A10：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡除了支持標(biāo)準(zhǔn)的聲發(fā)射系統(tǒng)軟件（PXAES）和事后波形流分析軟件（PXAES-POST）外，還提供了PXDAQ18373E卡的底層開發(fā)環(huán)境（SDKLabview-18373E）選配，即C語言動(dòng)態(tài)連接庫SDK及用于Labview開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序。用戶可根據(jù)不同需要開發(fā)出專用的實(shí)時(shí)采集處理系統(tǒng)。
Q11：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡體積多大，是否可以插入常用的電腦機(jī)箱？
A11：PXDAQ18373E聲發(fā)射卡采用了12層高密度設(shè)計(jì)，是標(biāo)準(zhǔn)的中長卡，長度為240mm，與ATX主板標(biāo)準(zhǔn)寬度一致，可以很容易的插入常用的電腦機(jī)箱。
