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基于GPU的飞行时间质谱数据采集实时处理系统

文章附图

飞行时间质谱(TOF)是一种高精密的质量分析仪器,适合对物质的精密测量,广泛用于制药、食品安全、基因检测、航天等。飞行时间质谱对后端数据采集和处理也提出更高的要求,该方案采用基于GPU实时采集处理系统,用于解决多通道飞行时间质谱数据没法实时处理的问题。系统硬件主要包括高速数据采集卡、电脑和GPU,高速数据采集卡采集到的数据通过电脑传输到GPU上实时处理。

采集卡加GPU.png


第一部分 硬件系统

1 高速数据采集卡

高速数据采集卡由两块高速数据采集卡组成,实现采样率1.25GS/s 精度8bit 5通道同步采集,高速数据采集卡型号分别是M4i.2210-x81.25GS/s 8bit 1ch)和M4i.2212-x8(1.25GS/s 8bit 4ch)

1.1 主要规格指标

   采样率1.25GS/s

   54+1)个模拟信号通道同步采集

   500MHz带宽

   精度8bit

   PCIExpress x8 Gen 2 接口,实时传输速率3.4GB/s

   所有通道同步采集,通道间同步精度小于 130 ps

   4个输入范围: ±200mV ±2.5 V

   4个小量程输入范围:±40mV, ±100 mV, ±200 mV,±500 mV(选配)

  8GSample板载内存

   支持WindowsLinux操作系统

   支持触发同步采集,通道触发采集,ABA采集模式

1.2 两块数据采集卡同步介绍

两块数据采集卡通过专用的同步线缆Star-hub同步,Star-hub是一个附加模块,能使得不同采集卡间的相位稳定同步,最多支持8个同类型采集卡同步,所有同步采集卡的通道间没有相位延迟。Star-hub在采集卡间分发触发和时钟信息,确保所有采集卡共用同一个时钟和触发源。

数据采集卡同步示意图.jpg

2 电脑(用户配置)

   上架工控机,结构稳定,兼容采集卡和GPU

   至少3PCIe×8接口

   Inteli7处理器

   32GB内存

   1TB固态硬盘

3 GPU

3.1 根据Spectrum采集卡厂家的推荐,可选用GPU的型号是QuadroP2000,参数如下。

   显存容量:5120M

   显存类型:HBM2

   CUDA并行处理核心:1024

   GPU显存:5GB GDDR5

   FP32性能:3.0万亿次浮点运算

   超级大功耗:75

   图形总线:PCIExpress 3.0 x16

   显示器连接器:DP1.4(4)

   外形尺寸:4.4"()7.9"()双插槽

3.2 Spectrum采集卡配合GPU的实测介绍

采集卡基于GPU应用案例.png


第二部分  算法

   该系统是飞行时间质谱系统的一部分,数据采集卡采集从飞行时间质谱出来的微弱信号,由于信号非常微弱,需要对多次触发的重复信号进行累加,然后得到最终的信号。但考虑到系统有一部分固定噪声,累加会导致噪声也随之累积,需要先对信号进行量化处理,消除这部分噪声的影响。所有算法都在GPU上实时处理。

GPU实现TOF算法.png