基于FPGA和光纤通信的数据采集系统设计精品.docx

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基于FPGA和光纤通信的数据采集系统设计精品

1绪论

1.1本课题的研究背景及意义

数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。

数据采集技术广泛引用在各个领域,比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具[1]。

被采集数据是已被转换为电信号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。

采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期）对同一信号再次采集，经过采样、转换的信号称为“数据”。

采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。

准确的数据量测是数据采集的基础。

数据采集含义很广，包括对面状连续物理量的采集。

在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据，随着雷达、通信以及工业测试等领域中数字信号处理技术的快速发展，数据采集在速度及精度上均提出了更高的要求[2]。

FPGA是一种具有丰富的可编程I/O引脚的可编程逻辑器件。

具有时钟频率高，内部时延小，运行速度快，组成形式灵活的特点，并能够控制较为复杂的外围器件[3]。

可以解决电路系统小型化、低功耗、高可靠性过程中遇到的问题，因此FPGA成为目前高性能数据采集系统主要使用的控制芯片[4]。

随着信息化步伐逐渐加快，光纤通信技术已成为现代通信的重要支柱，光纤通信具有传输损耗低、传输频带宽、速率高、重量轻、体积小和抗电磁干扰等优点，光纤传输损耗几乎比同轴电缆和波导低三个数量级，并且在整个频段内其损耗对于任何调制信号都相同，因此光纤成为一种理想信号传输媒介[5]。

本文所设计的数据采集系统综合应用了以上两种技术集合两者的优点，在处理数据时使用高性能的FPGA，同时在传输获取的数据上采用光纤传输，提出基于光纤通信的多通道数据采集系统，该课题的研究既有十分广泛的意义。

1.2本课题国内外研究现状

数据采集和处理系统的控制芯片在不停发展和进步，从原来的单一的单片机发展到数字处理芯片DSP，嵌入式芯片等更高速、高性能的芯片。

在高性能数据采集系统中，我们通常采用单片机或DSP做为整个系统的CPU，来控制AD模数转换、存储器以及其他一些外围电路的工作[6]。

基于单片机和DSP而设计的数据采集系统都有一定的不足：

（1）单片机的时钟频率较低，需要软件支持来实现其功能，软件的运行时间在整个采样时间中占据很大的比例，效率较低，很难适应高速、高精度数据的采集系统的要求。

（2）DSP的虽然运算速度快而且擅长处理密集的乘加运算，但是它对外围的复杂硬件进行逻辑控制的功能较差。

然而FPGA（现场可编程门阵列）有着单片机和DSP无法比拟的优势。

FPGA的时钟频率高，内部时延小；全部的控制逻辑都可由硬件完成，速度快，效率高，适于大数据量的高速传输控制；FPGA的组成形式灵活，而且可集成外围控制、译码和接口等各种电路[7]。

随着信息化步伐逐渐加快，光纤通信技术已成为现代通信的重要支柱，在现代电信网中起着举足轻重的作用。

光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。

光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有三四十年，已经历三代，短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤、采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信，中国光纤通信已进入普及阶段。

光通讯是通讯发展的必然方向，光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术[8]。

通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频作为载频已达通信载波频率的上限，光是一种频率极高的电磁波，因此用光作为载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，光通信是人们早就追求的目标，也是通信发展的必然方向。

对光纤通信而言，超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标，未来的高速通信网将是全光网，全光网是光纤通信技术发展的最高阶段，也是理想阶段。

传统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络结点处仍采用电器件，限制了目前通信网干线总容量的进一步提高，因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题。

全光网络也是人们不懈追求的梦想[9]。

1．3本课题的主要工作及论文的组织结构

本论文主要研究基于FPGA和光纤通信的数据采集系统，论文的主要内容是：

（1）数据采集系统的基本理论研究；

（2）提出了基于光纤通信多通道的数据采集系统总体设计方案及完成外围的硬件电路设计；

（3）完成FPGA内部模块设计即软件设计；

（4）对系统相关模块进行仿真并给出仿真结果。

本文共分五章，第一章绪论中概述了数据采集系统的用途和意义。

第二章阐述了数据采集系统的理论知识中信号采样、模数转换、光纤通信等基本理论。

第三章提出了基于FPGA的数据采集系统的总体设计方案及完成对外围的硬件电路设计。

第四章完成软件设计并进行仿真。

最后在第五章结束语中，对本文进行了总结和展望。

2系统相关理论

2.1数据采集的基本概念

数据采集就是将被测对象的各种参量（可以是物理量，也可以是化学量、生物量等）通过各种传感器做适当转换后，再经电路对信号进行调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理和存储记录的过程[10]。

这里所用的控制器一般是计算机系统。

随着计算机技术的不断发展和普及，模拟设备越来越多的被数字设备所取代，在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。

但是大部分的信息都是以连续变化量的形式出现的，例如温度、位移、速度、压力等。

要想用计算机将这些信息进行处理，就必须首先将这些连续的物理量进行离散化，并进行量化、编码，从而变成数字量，这过程就是数据采集。

它是计算机在监测、管理和控制一个系统的过程中，取得原始数据的主要手段。

数据采集系统的任务，具体地说，就是将采集传感器输出的模拟信号通过一定的处理并能够转换成计算机识别的数字信号，即AD模数转换，转换后的数字信息最后送入计算机，由计算机根据不同的需要进行相应的计算和处理。

与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。

图2．1是一个模拟信号的数据采集系统框图。

图2.1模拟信号数据采集系统框图

模拟信号通过信号调理电路，将传感器产生微弱的模拟信号进行滤波放大处理，把信号放大到与A/D转换器满量程电压相应的电平值，以便充分利用A／D转换器的分辨率。

然后A／D模数转换电路将放大后的模拟信号转换为计算机能够识别的数字信号，A／D转换后的数据信息一般不能直接传送到计算机，所以在读入计算机或其他处理设备之前应该增加数据存储模块，这样能有利于将数据连续的送入计算机。

通过时序逻辑控制电路可以控制信号调理、A/D模数转换器、数据存储等单元，并实现与计算机的通信。

2．2采样定理及频混的产生和抑制

在数据的采样中过程所应遵循的规律，称为采样定理。

采样定理说明采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据，是数据采集的理论基础。

若连续信号

是有限带宽的，其频谱的最高频率为

，对

抽样时，若保证抽样频率：

那么，可由

恢复出

，即

保留了

的全部信息。

通常把最低允许的抽样率

。

称为“Nyquist频率”。

采样定理严格地规定了采样时间间隔

的上限，即

。

如果

取的太大，使互

时，那么将会发生

中的高频成分

被叠加到低频成分

上去的现象，这种现象称之为频混。

不产生频混现象的临界条件是

。

或者说当采样间隔一定时，不发生频混的信号最高频率

。

信号中能够相互混淆的频率为：

（式2.1）

式中

为能相互混淆的频率。

为了减少频混现象，通常可以采用抗混叠滤波器，过采样两种方法。

2．3A／D模数转换

A／D模数转换是数据采集的主要任务和关键步骤，A／D转换的好坏直接关系到数据采集的精度和质量。

所谓A／D模数转换，就是将传感器输出的模拟信号转换成计算机能够识别的数字信号。

在ADC器件中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一些列选定的瞬间对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换成输出的数字。

图2.2是A/D转换框图。

图2．2A／D模数转换框图

其过程可包括为四个步骤：

采样，保持，量化和编码，首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，然后编码。

按照一定的编码格式给出转换结果。

然后再开始下一次取样。

采样就是是对模拟信号在时问上进行离散的过程。

数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。

就是说，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。

在进行A/D转换时，必须把取样电压表示为这个最小单位的整数倍。

这个转化过程叫做量化，所取的最小数量单位叫做量化单位，用△表示。

显然，数字信号最低有效位（LSB）的1所代表的数量大小就等于△。

把量化的结果用代码可以是二进制，也可以是其他进制表示出来，称为编码，这些代码就是转换的结果。

2.4光纤通信原理

2.4.1光纤通信系统结构

光纤通信与以往的电气通信相比，主要区别在于有很多优点：

它传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长，线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用，绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在特殊环境或军事上使用。

光纤通信是以光波为载波，以光纤为传输介质的一种传输方式。

光纤通信于其他有线通信方式原理基本相同，只要差别有二：

（1）是把光频段电磁波作为载波；

（2）是把光纤作为传输信号线。

正是这两点的差异，实现了大容量通信技术的突破。

光纤通信系统利用半导体激光器（LD）作为光源，产生光载波，由来自信源的数字信号（电信号）进行调制，形成调制的光信号并将耦合进光纤中传输；在接收端使用光检测器（如PIN光电二极管或雪崩光电二极管）将光信号进行解调，获取数字信号[11]。

光纤通信系统主要由发送机、接收机和信道三部分组成，如图2.4所示。

来自信源的信息有发送机将其转换为适合在信道上传输的光信号，光纤构成的信道把光信号有发送及传送至接收机，接收机从信道中提取信息并转换为最终形态，由信宿输出。

信源的作用是把非电形态的的信息转换为电形态的的信息，把非电信号转换为电信号。

最常见的信源是把声波转换成电流信号的麦克风和将图像转化成电流信号的视频摄像机，在任何情况下，无论是电通信海华丝光纤通信系统，信息传输之前必须是电形态的。

发送机的作用是将来自信息源的电信号转换成适合在光纤传输中的光信号，它由调制器、载波源、和信道耦合器组成。

信道是指发送机和接收机之间的传输的路径，在光纤通信系统中，光纤就是信道。

而接收机的作用是将来自信道的光信号解调，得到的信源信息的再现，送入信宿。

接收机由光检测器、放大器和信号处理器组成。

信宿实质是光纤通信系统的信息的输出装置[12]。

图2.4光纤通信系统结构示意图

2.4.2光纤传输系统中线路码的选择要求

在数字光纤传输系统中，线路码的选择不仅要考虑器传输媒介光纤的特性，还需考虑光电转换器即光源器件和光探测器件的特性。

例如，光纤线路的带宽（或色散）特性影响着对线路码型速率变换的选择，光源器件的非线性影响着对线路码型是单极性（或者说是两电平）还是多电平的选择[12]。

一般来说，对光纤传输线路码型的选择主要考虑如下要求。

（1）能保证比特序列独立性。

这是对线路码型的最墓木要求，即无论对数字光纤传输系统输入什么样序列的二进制码流，在接收端进行码型反变换时，均能准一正确地恢复原信号。

（2）能提供足够地定时信息。

由于在数字光纤传输系统中，只传送信码而不传送时钟，因此在接收端必须从收到的码流中提取出定时信号。

这就要求线路码中含有足够的定时信息，以利于定时提取。

必须限制线路码流同码连续数，也就是说，应避免长连“0”及长连“1”的出现，提高电平跳变的密度，使定时提取易于实现。

（3）减少功率谱密度中的高低频分量。

线路码的功率谱密度中的低频分量是由码流中的“0”、“1”分布状态来决定的。

低频分量小，说明“0”、“1”分布比较均匀，直流电平比较恒定，也就是信号基线浮动小，有利接收端判决电路的正常工作。

高频分量是由线路码的速率决定的，这在带宽（色散）限制系统中特别值得注意。

（4）误码增殖小。

线路传输中发生的一个误码，往往使接收端的译码（反变换）发生多个错误，这叫误码扩展或误码增殖。

由于误码增殖，使光接收机要达到要求的误码性能指标，必须付出光功率代价，即光接收机灵敏度劣化。

因此，误码增殖系数越小越好，

（5）要有一定的规律。

若线路码型有一定的规律性，则就可以根据这一规律性来检测传输质量，实现不中断业务的误码监测，便于传输系统的维护和管理。

（6）易于同时传递多种信息。

易于在传送主信息（业务信息）的同时，传送监控、公务、数据等维护管理信息，以及区间通信等辅助信号。

（7）尽可能地提高线路码型的传输效率。

传输率定义为

。

式中关为变换前码流的速率，

为变换后码流的速率。

（8）易于实现。

选择线路码型，应实现起来电路简单，成本低，耗电少，调试、维护方便。

2.4.3常见的光纤线路码

由于光只能以通、断方式表示二进制信号，所以光纤数字通信系统的线路码多采用单极性码[13]，而极少采用三电平码、四电平码。

常见的光纤线路码型有如下几种。

（1）Manchester码。

Manchester码又称双相码。

它对每个二进制代码分别利用两个具有不同相位的二进制新码去取代。

编码规则之一是，“0”编为“01”（零相位的一个周期的方波）;“l”编为“10”（相位的一个周期的方波）。

双相码直流电平稳定，最长连“0”连“1”数为2，定11寸信息丰富，但传输效率仅为50%。

（2）CMI码。

CMI码是传号反转码的简称，其编码规则为:

“1”码交替用“11”和“00”表示;“0”码用“01”表示。

CMI的最长连“0”连“1”数为3，定时信息丰富。

CCITT将其推荐为PCM四次群的接口码型，有时也用在低速数字光纤传输系统中。

以1100101为例分别编为双相码和CMI码如表4.1。

表4.1双向码和CMI码编码实例

代码

1

1

0

0

1

0

1

双向码

10

10

01

01

10

01

10

CMI码

00

11

01

01

00

01

11

（3）mBnB码。

mBnB码又叫分组码（BlockCode），它把信息码流的m位二进制码作为一组，变换为n位二进制码作为新的码组。

由于n>m，新码组可能有组

合，故多出

种组合。

从中选择一部分有利码组作为可用码组，其余为禁用码组，以获得好的特性。

常见的mBnB码有1B2B码、3B4B码、5B6B码、7B8B和8B10B。

其中前四种码型多用于低速和较高速的系统;8B10B适用于高速光纤数字传输系统，其编码效率为80%，但电路实现比较复杂，而且接收端进行串并转换时需中断所传数据，周期性的发送特殊同步字才可确定帧边界，这在视频传输系统中是不希望的。

（4）CIMT码。

CIMT是Conditional-InvertMasterTransition的简称，即条件翻转主跳变码。

其编码解码电路相对简单，定时信息丰富，编码效率最高达83.3%，是编码复杂性和编码效率折衷的一种线路码。

本系统中就采用此种信道编码方式。

3系统整体设计及各模块电路

3.1系统整体设计

数据采集系统包括模拟信号和数字信号的采集，本课题主要对模拟信号进行采集，系统整体结构如图3.1

图3.1系统整体设计

3.2模拟信号的滤波放大电路

滤波放大器的作用是将传感器产生微弱的模拟信号进行滤波放大处理。

放大器把信号放大到与AD转换器满量程电压相应的电平值，,以便充分利用A／D转换器的分辨率，放大器的放大倍数可以通过设计放大电路来进行实时控制。

本系统中由于具体到实际的测量对象，但是测试采集系统都是根据测量对象选择合适的传感器，通过传感器把特定的被测量信息按一定规律转换成某种的便于传输、便于处理的信号。

所以在这里具体的给出滤波放大电路是没有意义的，要根据所测的对象选定合适的传感器，在根据传感器转换后的信号进行滤波放大，使得模拟信号输入的信号与A/D转换器的输入端相匹配。

3.3模拟开关的选择

存储测试系统常常需要多通道同时采集。

在此情况下，若是在每个通道都设置一套模拟传输及量化器，是不经济的，有时也是不必要的，特别在有限的体积内有时甚至是不可能的，因此，本系统要根据被测信号的特点与测试要求，模拟信号采集通道采用多路转换器，用最简单的硬件电路完成多路信号的存储测试[14]。

模拟开关是数据采集系统中的主要器件之一，它的作用是切换各路输入信号。

在测控系统中，被测物理量通常是几个或几十个。

为了降低成本和减小体积，系统中通常使用公共的采样保持器、放大器及A/D转换等器件，因此需要使用多路开关轮流把各路被测信号分时地与这些公用器件接通。

多路开关有机械触点式开关和半导体模拟开关。

机械触点式开关中最常用的是干簧继电器，它的导通电阻小，但切换速度慢。

集成模拟电子开关的体积小，切换速率快，无抖动，耗电小，工作可靠，容易控制。

它的缺点是导通电阻较大，输入电压电流容量有限，动态范围小。

在较低频段上（f<10MHz）的集成模拟电子开关，通常采用CMOS工艺制成；而在较高频段上（f>10MHz）则采用双极型晶体管工艺技术。

集成模拟电子开关在测控技术中得到广泛应用。

在设计中往往要用到模拟开关，对于不同的用途需要选择不同的模拟开关。

在选择时要考虑:

通道数量，导通电阻，开关时间，泄漏电流，切换速度等。

作为多路选择开关，需要多通道快速循环采集。

在本系统中，模拟输入信号的电压范围是0～10V，通道数为8，选择了开关速度比较快、泄漏比较小、8选1的模拟选择开关ADG407。

3.4AD转换器

A/D转换器的作用是以不丢失模拟信号的信息为原则，将模拟信号转换成数字信号，用以完成信号的存储、显示、分析与处理。

转换的分辨率、误差、噪声和采样频率等都是影响转换的因素[15]。

本系统选用了低功耗、高速并行口、逐次逼近的14位A/D转换器AD7484。

此转换器的性能参数如下：

分辨率：

14位

整体非线性特征：

±1LSB

信号与噪声和失真比SINAD：

76.5dB

总谐波失真THD：

-90dB

峰值谐波噪声SFDR：

-90dB

最高采样频率：

3M

参考输入/输出电压：

2.5V

直流泄漏电流：

±1Ma

AD7484的时序转换图如下图3.3所示：

图3.2AD7484时序转换图

在上图中，AD7484数据转换时间

最大为300ns；转换信号

低脉冲宽度必须介于5ns和100ns之间；信号转换

下降沿与AD7484开始转换的忙信号

下降沿的时间差

最大为20ns；从数据转换完成

变为高电平到把数据放置到AD7484的地址总线上的数据存取时间最大为25ns。

根据以上AD7484的数据转换时间要求，我们在用FPGA对其进行时序和逻辑控制的时候要非常注意。

在原理图的设计中，Vdrive的电压必须与FPGA和闪存的管脚电压相匹配，所以必须接3.3V电压。

其电路原理图如下图3.3所示：

图3.3AD7484电路原理图

3.5光纤通信模块

3.5.1系统采用信道CIMT码编码方式

（1）CIMT码的传输帧

CIMT码的传输帧有三种形式:

数据帧、控制帧和填充帧。

数据帧用来传输主

信信，控制帧多用来传输包头、包尾或其他协议信息等辅助信息，填充帧在无数据输入或发送端和接收端链路刚启动时产生，用于保持或建立同步。

选用何种帧形式进行传输由输入的控制信息决定。

（2）CIMT码的编码过程

CIMT码的编码过程可分为MasterTransition和Conditional-Invert

两部分，编码原理框图如图3.4。

图3.4CIMT编码原理框图

MasterTransition:

CIMT编码将每帧步个行数据分为D域（Data-field）和C域（Coning-field）两部分进行编码。

D域为所要传输的业务信息或辅助信息，宽度为16bit或20bit。

C域附加在D域后，根据所输入的控制信息进行编码，不同的控制信息传输不同的帧形式，其编码编码规则也不同。

但无论输入什么样的控制信息，C域宽度均为4bit，且中间的两位一定为一对互补码，“10”或“01”，这样每一帧就都产生了一个主电平跳变点，即MasterTransition。

此跳变点为接收端提供帧同步信息，通过搜索它能很好的确定串行码流中每帧的“起始”及“末尾”时刻。

这样采用CIMT信道编码技术就无需象4B/5B、SB/10B编码方式周期性中断数据流而插入特殊的帧同步字来保持系统同步，从而保证了传输的实时性。

CIMT的帧结构如图3.5。

图3.5CIMT码的帧结构

Conditional-Invert是通过对输入数据求符号和来判断数据输出时是否需要翻转。

即首先分别用“+1”、“-1”表示数据中的“1”和“O”，对输入的并行数据求和，然后将所得的符号与以前的数据求和符号相比较:

符号相同则将当前帧数据翻转输出;符号相反则按原数据输出;当前帧数据求和为零时，则说明当前帧数据中“O”、“1”个数相同，数据己经平衡，故可以翻转也可以不翻转。

这样做的目的是为了使传输线上的数据流保持平衡，不会产生直流电平漂移。

一种16bit的CIMT线路码的编码格式如表3.6。

表中CAV、DAV为传输帧选择的控制信息，当CAV为“1”,DAV为“0”时传送数据帧;CAV为“0”，无论DAV为何值，均传送控制帧;CAV、DAV均为“1”时表明无信息传输系统自动产生填充帧。

表3.6一种16bit的CIMT线路码的编码格式

CIMT线路码不但可以满足编码效率高、电路实现简单、具有丰富的定时同步信息、对高低频分量具有好的抑制性等光纤线路码的基本要求，而且其通过MasterTransition提供帧同步信息的方法可以保证信号的实时传输，因此适合用于数字光纤传输系统[16]。

3.5.2并串转换、编解码模块

系统采用Agilent公司的高集成度通信ICG-LINK系列芯片组HDMP一1022和HDMP一1024。

HDMP一1022为发送端芯片，实现将AD转换器输出的并行数据，通过编码、并串转换、转化为适合在实现光纤传输信号，然后通过光发射模块将信号转换为光信号，使其在光纤中传输。

同理，在接受信号时，通过光接受模块接受光信号，通过转换把信号送入接收端芯片HIDMP一1024，完成串并转换、译码，还原数据，之后对数据进行处理。

该芯片组的性能特点如下:

（1）采用CIMT信道编码方式；

（2）TX和RX均内嵌PLL（PhaseLockedLoop,即锁相环），用于保持帧同步；

（3）接收端芯片Rx中，内嵌状态机用于自动链路的管理；

（4）并行数据为TTL电平接口，串行数据为PECL电平接口；

（5）处理并行数据的位宽为16it,20bit两种选择。

1发送端芯片HDMP一1022的结构原理及功能

发送端芯片HDMP一1022内部包括锁相环/时钟产生、C域编码、D域编码、帧复用（并/串转换）、扰码（包括符号产生、累加翻转）、数据输出等几个部分。

其具体结构框