基于FPGA和单片机的多路信号光纤传输系统设计
基于FPGA的光纤通信系统设计与开发
基于FPGA的光纤通信系统设计与开发光纤通信系统是一种传输信息的方式，通过将信息转化成光信号，然后通过光纤将光信号传输到终端接收器，终端接收器将光信号转化成原始信息。
光纤通信系统具有传输速度快、信号传输距离远、抗干扰性能强等优点，在现代通信、网络、医疗等领域得到了广泛的应用。
基于FPGA的光纤通信系统是一种新型的光通信系统，它借助FPGA芯片的高度集成度、灵活性和可编程性，在光纤通信系统的设计和开发方面具有很大的优势。
下面，我们就从光纤通信系统的原理、FPGA芯片的特点以及基于FPGA的光纤通信系统的设计与开发等方面，探讨一下基于FPGA的光纤通信系统。
一、光纤通信系统原理光纤通信系统是通过光信号传输信息的一种通信方式。
它采用纤维光缆作为信号传输介质，将信息转化成光信号，然后通过光缆将光信号传输到接收端，再将光信号转化成原始信息。
光信号是由激光器产生的，经过调制后转化为光脉冲信号，然后通过光纤传输。
光纤通信系统具有以下优点：1. 传输速度快：光信号传输速度很快，可以达到光速的99.9%以上。
2. 信号传输距离远：在光纤通信中，光的传输距离几乎不受限制，通常可以达到几公里甚至几十公里以上。
3. 抗干扰性能强：光信号不容易受到外界干扰，因此在传输过程中信号几乎不会失真，保证了信息的可靠性。
二、FPGA芯片特点FPGA是一种可编程逻辑器件，具有高度集成度、灵活性和可编程性等特点。
在光纤通信系统中，FPGA可以作为主控芯片，在光信号的调制、解调、传输等方面具有很大的作用。
FPGA芯片具有以下特点：1. 可编程性强：FPGA芯片可以根据用户的需要进行编程，实现不同的功能。
因此，在光纤通信系统中，可以利用FPGA芯片灵活地设计和开发各种功能模块。
2. 集成度高：FPGA芯片集成了大量的逻辑单元、存储单元和输入输出接口等，可以实现复杂的逻辑功能，且可实现更高的集成度。
3. 时序性优秀：FPGA芯片采用先进的时序设计技术，保证了其内部逻辑的时序性优秀，可以实现更高的工作频率。
基于FPGA的多路数据采集与传输系统设计
基于FPGA的多路数据采集与传输系统设计李华;刘宝盈;刘萌;谢谦【摘要】In order to acquire 8 signals and transmit them to the application system accurately,this paper presents an improved FPGA combined with ADC and CAN bus based data acquisition and transmission system. Firstly,AD is controlled by FPGA to acquire 8 analog signals and convert them to one bit digital signal which is sent to FPGA.Then the serial-to-parallel operation and data reconstruction was used to process the one bit signal.At last,the signal was transmitted to application via the CAN bus system.Experimental results proved,when the conversion rate of ADC128 is 50kSPS,the system can work normally.The system has advantages of reliable and steady function,strong real-time and good universality.%为了准确采集8路数据并稳定传输给应用系统，文章设计了一套基于FPGA结合ADC 和CAN总线的数据采集与传输系统。
首先，AD在FPGA的控制下将8路模拟信号采集并以一位数字信号的形式输出给FPGA，然后经过串并转换与数据重组，最后通过CAN总线传输给应用系统。
基于FPGA的光纤传输系统的设计与实现
3.2.3 滤波电路设计 ......................................... 14 3.3 各功能模块设计方案 ........................................ 15 3.3.1 Rocket IO 定制 ....................................... 15 3.3.2 发送端设计 .......................................... 19 3.3.3 接收端设计 .......................................... 20 3.4 小结 ...................................................... 21
III
基于 FPGA 的光纤传输系统的设计与实现
4. 光纤传输系统的仿真与验证 ....................................... 22 4.1 仿真环境 ................................................. 22 4.2 硬核模块仿真 ............................................. 22 4.3 发送端仿真 ............................................... 23 4.4 接收端仿真 ............................................... 25 4.5 功能验证 ................................................. 26 4.6 小结 ..................................................... 27 结论 .............................................................. 28 参考文献 .......................................................... 29 附录 1 外文文献翻译 ............................................... 30 附录 2 外文文献原文 ............................................... 34 附录 3 部分程序源代码 ............................................. 35 致 谢 ............................................................ 4 人： 刘春玲 完成日期：2013 年 6 月 4 日
基于FPGA的时序信号光纤传输系统
光链路指标的计算： ( 1 ) 第一级到第二级
D FB光 模 块 发 光 功 率 0〜-5dBm，1 分 8 光 分 路 器 插 损 10dB， 多 级 光 纤 插 损 最 大 值 10dB，APD接 收 灵 敏 度 -28dBm〇
第一级光模块输出光功率为0~-5dBm, 通 过 1 分 8 光 分 路 器 插 损 10dB,再 通 过 多 级 光 纤 插 损 10dB,那么第二级
LE单 元 4 9 8 8 8 个 ,Memeory5 7 7 5 3 6 位 ，并有4 个 pll锁相环， 是 保 持 0,1的个数相同，即能做到直流平衡。在接收端，首 自 带 8 个高速串行内核，能 进 行 8 B10B 编码及并串转换， 先 找 出 第 1 帧 ，然 后 再 把 第 2 帧 反 向 的 数 据 恢 复 出 来 ，这
电子电路设计与方案
基 于 FPGA的时序信号光纤传输系统
作者/邹波、饶 垚 ，中国电子科技集团公司第四十四研究所
摘 要 ：随着光纤广泛应用，在设计相关产品时需要进行_对多点的时序信号传输。本文以FPGA平台，设 计 了 _套 以 光纤为接口的传输系 统，能实现1到64节点时序信号的传输。 关键词：时序信号；光纤传输； FPGA
行 相 关 编 码 ，而 实 现 多 路 时 序 信 号光纤传输的方法。
-20MHz-16路时序-
’校数' 转换
接口 转换 V_____ J
FPGA
第一级
I
1路 电
并串 转换
|W； 光 _速► 转
差换
分 DFB
分路 器 1分8
功分
-8根LC光纤一~►
1.系统设计
时序信号光纤传输系统由三 级 组 成 ，该 系 统 能 实 现 1 6 路低速 时序信号从1 个点传输到64个点， 并且保持传输延时固定。每级之 间通过光纤连接。
基于FPGA和单片机的多路信号光纤传输系统设计
基于 犉犘犌犃 和单片机的多路信号 光纤传输系统设计
李言武
（安徽工贸职业技术学院 电气与电子工程系，安徽 淮南 ２３２００７）
摘要：基于 ＦＰＧＡ 和单片机技术，设计了多路信 号 光 纤 传 输 系 统， 利 用 单 片 机 实 现 了 模 拟 数 据 的 高 精 度 采 集 和 通 信 信 号 的 双 向 传 输，利用 ＦＰＧＡ 实现了多路复杂信号的处理与传输；实验证明：该系统不仅能传输多路模拟与数字信 号， 以 及 低 速 数 字 信 号 与 高 速 脉 冲 信号，还能实现双向 ＣＡＮ 通信；与现有光纤传输系统相比，多路信号 光 纤 传 输 系 统 不 仅 实 现 了 多 路 复 杂 信 号 的 采 集， 而 且 使 用 一 根 光 纤实现了大容量多数据的双向传输，一方面减小了产品体积，另一方面降低了产品成本。
关 键 词 ：ＦＰＧＡ； 单 片 机 ； 多 路 信 号 ；光 纤 传 输
犕狌犾狋犻－犮犺犪狀狀犲犾犛犻犵狀犪犾犗狆狋犻犮犪犾犉犻犫犲狉犜狉犪狀狊犿犻狊狊犻狅狀犛狔狊狋犲犿犅犪狊犲犱狅狀犉犘犌犃犪狀犱犕犆犝
ＬｉＹａｎｗｕ
（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＯｃｃｕｐａｔｉｏｎｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｎｈｕｉＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＣｏｍｍｅｒｃｅ Ｈｕａｉｎａｎ ２３２００７，Ｃｈｉｎａ）
基于FPGA的多通道串口通信与显示系统设计可行性及项目设计报告.
1 可行性论证报告1.1 选题背景近年来，信息技术的飞速发展极大地方便了人们的日常生活与交流。
与此同时，新的通信技术也层出不穷，并不断向着高速、稳定、可靠、小型化、轻型化的方向发展。
现阶段所采用的信息技术通常采用了光与电结合的方式，即通过融合光学、电子等学科的技术来完成信息的存储、转换和传输等功能[1]。
所以在研发和使用新的通信技术时，传统的数据采集与传输系统常常在其中扮演着重要角色。
例如，在相干光通信系统中，就需要为系统中的各个调制器施加特定的电压信号来控制器件的调制方式。
因此，如何用先进的硬件和软件技术实现高速数据采集与传输系统，成为了众多专家关注的焦点问题。
随着现场可编程门阵列FPGA(Field-Programmable Gate Array)的价格愈来愈低，在科技研发行业中FPGA 使用得越来越广泛。
FPGA 是在各种简单的可编程器件基础上的进一步的产物。
FPGA 时钟频率高，内部延时小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快、效率高，适于大数据量的高速传输控制[1]。
FPGA全部的控制逻辑是由延时更小的硬件来完成[2]。
由于它有着单片机无法比拟的低功耗、高速率，且它有着和单片机一样的低成本，很多公司在数据采集和传输上，会先考虑使用FPGA。
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。
加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。
加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。
加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。
另一种就是线加速度计。
加速度计的运用非常广泛。
加速度传感器可以帮助机器人了解它身处的环境。
是在爬山，还是在走下坡，摔倒了没有。
或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。
更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。
一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。
加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动等。
基于FPGA的光纤通信数据传输技术分析
基于FPGA的光纤通信数据传输技术分析随着信息技术的快速发展，光纤通信已经成为普及的通信形式之一，其在传输速度、距离、带宽等方面优于传统的有线通信方式。
基于FPGA的光纤通信数据传输技术也应运而生，该技术利用FPGA的高度可编程性和强大的处理能力，实现光纤通信数据的高效率、高速度的传输。
本文将分析基于FPGA的光纤通信数据传输技术的优点、实现原理以及应用前景等方面。
1. 高传输速度：基于FPGA的光纤通信数据传输技术采用基于硬件的设计，由芯片自行控制数据运算，从而将传输速度提高到了极致。
2. 稳定性强：光纤通信是一种高速、稳定的传输方式，有着很强的抗干扰能力。
基于FPGA的光纤通信数据传输技术具有较高的稳定性，可以满足大规模通讯网络中高可靠性的要求。
3. 设计灵活：FPGA具有很强的可编程能力，可根据需求进行修改，因此，基于FPGA的光纤通信数据传输技术的适应性很强，能够满足不同规模、不同需求的通讯网络的要求。
4. 节约成本：基于FPGA的光纤通信数据传输技术采用硬件实现的方式，相比软件实现能够加快传输速度和节约成本。
首先需要将数据转换为光信号，再通过光纤将光信号传递到接收端，接收端再将光信号转换为数字信号。
FPGA中嵌入有大量的硬件模块，可以通过配置和连接这些模块实现该技术的硬件设计。
具体地，FPGA通过配置可实现数据解封装、差错校验、流量控制等功能。
传输过程中还需要进行数据缓存、数据校验、数据传输确认等操作。
当接收端接收到数据后应及时反馈给发送端进行确认。
基于FPGA的光纤通信数据传输技术的应用前景非常广泛。
目前，在网络高速化和信息化程度越来越高的趋势下，基于FPGA的光纤通信数据传输技术将有广泛的应用，例如在视频监控、高速数据传输、移动通讯、工业自动化控制等领域都有应用。
随着技术的不断发展，基于FPGA的光纤通信数据传输技术还将不断完善和提高，为广大用户提供更加高效和可靠的通讯服务。
总之，基于FPGA的光纤通信数据传输技术具有高速、稳定、灵活、成本低等优点，适用于不同规模、不同需求的通讯网络，具有广泛的应用前景。
基于FPGA的光纤传输系统的设计与实现
生成器 ／ 校验器 。本系统通过 Ｒ ｃｅ ＯＧ Ｐ收发器来完 ｏｋｔ Ｔ Ｉ
成光纤数据的编码 、 转化等功能… 。
１１ Ｐ Ａ 配 置 程序 加 载 设计 ．． Ｆ Ｇ ２
为 了使供 电线路稳定 ，在靠近各个线路 与接入引脚
处需加滤波电容和电感磁珠进行 电源滤波 ，其滤波 电路
１ Ｖ独立供应 ． ０
通过 电阻接
ＭＧＴＡＶＴＩｒ ＴＸ
ＧＰ Ｔ 整个模拟 电路 供 电 参考 电阻输入
光模块通过连接器和 Ｐ Ｂ板连接 ， Ｃ 并通过安装 笼子 进行 固定 ， 图 ４ 如 所示 。连接器安装于笼子的尾部 ， 焊接 于 Ｐ Ｂ板上 ， Ｃ 笼子固定于连接器上 面 ， 光模块从笼 子前 端插入 ， 光模块尾部 的插头插入连接器以进行与 Ｐ Ｂ板 Ｃ
的连 通 。
Ｍ Ｔ ＲＦ Ｇ Ｒ Ｅ
ＧＰ Ｔ 模块性能的稳定发挥 ，很大程度上依靠于其供
电和时钟 的设计 。由于 Ｇ Ｐ工作 的频率一般都 比较高 ， Ｔ
所 以电源 和时钟的稳定性设计 对 Ｇ Ｐ性能 的保障至关 Ｔ
３ ０
光模块通过笼子尾部 的连接器 与 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ数据处理系 统进行数据的交互 ， 同时光模块完成系统数据 的光 电、 电
基于 Ｆ Ｇ 的光纤传输 系统的没计 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ实现 ＰＡ
电子 质 量 （ １第 ０ 期） ２２ ２ ０
ＢＵＦ Ｇ ｉｓ ： ｎ ｔ ＢＵＦＧ
ｐ ｒｍａ ｏｔ ｐ（
ｔ
Ｏ Ｉ
＝ ＲＥＦ ＞ ＣＬＫ ＰＡＤ ＯＵＴ ，
＿ —
＝ ＲＥＦ ＞ ＣＬＫ ＰＡＤ Ｉ ） Ｎ ；
＿ —
本 系 统设 计 Ｇ Ｐ模 块 输 入数 据 宽度 为 ｌ Ｔ ６位 ， 经 ８ ／０ Ｂ １Ｂ编码 ， 并行数 据宽度 为 ２ ０位［输 入时钟频 率为 ３ １ ， １０ ｚ ， ＭＨ 时 实现速率 ２ ｂ ｓ ０ Ｇ ｐ 的光纤传输 ； 输入时钟频率 为 １０ Ｈ 时 ， ５ Ｍ ｚ 实现速率 ３ ｂ ｓ Ｇ ｐ 的光纤传输 。 Ｔ Ｇ Ｐ差分输 出端和接收端均 由 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ专用引脚 与光模块连接 。在光
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１） 多 路 信 号 光 纤 传 输 系 统 单 片 机 程 序 设 计 流 程 如 图 ３
所 示 。 在 图 ３中 ，主 程 序 主 要 完 成 外 设 的 初 始 化 和 通 过 ＳＰＩ发 送
数 据 给 ＦＰＧＡ。采 用 定 时 器 ２定 时触 发 ＡＤ 采 样 ，ＡＤ采 样 完 成 后 ，进 人 中 断 对 采 样 数 据 进 行 处 理 ，默 认 开 始 采 样 第 一 路 ， 当 第 一 路 采 样 结 束 ，对 ＡＤＣ０结 果 寄 存 器 的值 进 行 处 理 ，处 理 后 的 数 据 存 人 ８位 ＡＤＯ—Ｈ 和 ＡＤＯ—Ｌ寄 存 器 中 。 然 后 依 次 将 转 换 通 道 切 换 成 通 道 ２、３、４， 当第 ４路 采 样 结 束 后 就 完 成 了 ４路 模 拟 信 号 的 一 次 采 集 ，再 切 换 至 第 一 路 进 行 采 样 ，依 次 循 环 往 复 实 现 了 ４路 模 拟 信 号 的分 时 采 样 ；ＡＤ 采 样 完 成 后 需 要 将 采 样 值 发 送 给 ＦＰＧＡ，单 片 机 与 ＦＰＧＡ 之 间 采 用 ＳＰＩ通
Ｓｅｎｄ —
Ｃｏｍｍａｎｄ置 ０。每 发 送 完 一 个 字 节 后 ，等 待 ＳＰＩ发 送 完
成 标 志 Ｓｅｎｄ—Ｏｖｅｒ，若 ＳＰＩ没 发 送 完 成 ，等 待 ，若 发 送 完 成 ，
发 送 下 一 个 字 节 。
２） 多 路 信 号 光 纤 传 输 系 统 的 ＦＰＧＡ 程 序 设 计 如 图 ４
· ２２３ ·
图 ３ 多 路 信 号 光 纤 传 输 系 统 单 片 机 程 序 设计 流 程 图
图 ２ 多 路信 号 光 纤 传 输 系 统 硬 件 架 构 图
整 个 硬 件 系 统 接 入 ５ Ｖ 电 源 ，通 过 ＬＤＯ 稳 压 芯 片 ，转 换 成 ３．３ Ｖ、２．６ Ｖ、１．５ Ｖ 电 压 为 相 应 单 元 电路 供 电 。输 入 输 出 数 字 信 号 和 脉 冲 信 号 的 电平 均 为 ５ Ｖ ＴＴＬ，而 ＦＰＧＡ 采 用 的 是 ３．３ Ｖ 供 电 ，因 此 ，输 入 输 出 的 数 字 、脉 冲 信 号 与 ＦＰＧＡ 之 间需 要 相 应 的 电 平 转 换 电 路 进 行 电 平 转 换 。信 号 采 集 端 ＡＤ 采 样 后 的 电 压 信 号 通 过 ＳＰＩ接 口与 数 据 处 理 控 制 端 的 ＦＰＧＡ 进 行 通 信 ，数 据 处 理 控 制 端 的 ＦＰＧＡ 通 过 ＳＰＩ接 口将 电 压 信 号 输 出 给 ＤＡ。ＣＡＮ 总 线 信 号 通 过 单 片机 的 ＳＣＩ接 口与 ＦＰＧＡ 进 行 了 通 信 。 在 光 模 块 与 ＦＰＧＡ 之 间 采 用 了 串 化 ／解 串 器 （ＳＥＲＤＥＳ），匹 配 光 模 块 与 ＦＰＧＡ 的 传 输 速 率 ，实 现 并 行 数 据 和 高 速 串 行 数 据 之 间 的 串并 ／并 串转 换 。 ２．２ 程 序 设 计
所 示 。
控 制端ＦＰＧＡ
现 萌 端 ＦＰＧＡ
：ＡＮ
电压 Ｉ
，
移
８Ｂ／１０Ｂ 位
发
检 ● 一 送选 ８Ｂ解／１码０ Ｂ
解 码 调 择 源自整 ——］ｒ— —ｒ＿
Ｔ ———＿ｒ Ｉ ｔ
时钟 回
一
Ｌ一同 步 ｆ钟 卜＿ 一 刑 ｌ
一
同 ‘钟ｈ
ＣＡ
第 ２期
李 言武 ：基 于 ＦＰＧＡ 和单 片 机 的多 路 信 号 光 纤传 输 系统 设 计
稳 压 电路 、输 入 输 出 接 口 电路 、 电平 转 换 电路 、单 片 机 外 围 电 路 、ＦＰＧＡ 外 围 电 路 、 串 化 ／解 串 器 电 路 和 光 模 块 电 路 组 成 。
—
ＣＡ
２
图 ４ 多路 信 号光 纤 传 输 系 统 ＦＰＧＡ程 序 设 计
ＦＰＧＡ处 理 的 数 据 码 流 中 的 长 连 ０和 长 连 １不 利 于 时 钟 的 提 取 和 判 别 ，为 了减 少 长 连 ０和 长 连 １，多 路 信 号 光 纤 传 输 系 统 采 用 了 ８Ｂ／１０Ｂ编码 方式 ，以 此 减 少 了 低 频 分 量 的影 响 。要 想 实 现 用 一 根 光 纤 传 输 ２位 脉 冲信 号 （单 向 ）、 １６位 数 字 信 号 （双 向 ）、４路 模 拟 信 号 （单 向 ）、 １路 ＣＡＮ 总 线 信 号 （双 向 ） 的传 输 ，在 软 件 设 计 时采 用 了对 数 据 的 并 串 转 换 。在 程 序 调 试 过 程 中 ，发 现 串化 ／解 串 器 的 输 入 输 出 发 生 了 移 位 现 象 ， 而 且 移 位 是 随机 的 。 为 了解 决 该 问题 ，在程 序设 计 中 加 入 了 移 位 检 测 部 分 ，每 隔 １ Ｓ （１０‘６个 时 钟 周 期 ），连续 发送 ３个 时钟 周 期 的移 位 检 测 序 列 ，移 位 检 测 序 列 采 用 ８Ｂ／１０Ｂ 编 码 中 的 Ｋ２８．５；在 接 收 端 检 测 移 位 的位 数 ，对 传 输 的 数 字 信 号 进 行 调 整 ， 以此 解 决 了移 位 现象 造 成 的误 传输 。
ｓ，ｓｉｅ
时｛
受据 １６
． ，
泳冲
ＣＡＮ
ＳＣＩ ＩＮ —
＋
上
上 ———Ｌ ２ ｒ：—Ｌ］
８Ｂ／１０Ｂ １Ｏ 发
移
位 １０
塑 卜
解码 送 —＿ Ｉ 检 ８Ｂ／１０Ｂ 莓
脉
．
选
测 解 码
ｒ
２／
一
择
。＿＿—
—
调
整
。＿＿—
—
ＳＣＩ ＯＵＴ
信 ，ＳＰＩ的 的波 特 率 为 １Ｍ 。在 主 程 序 中 ，判 断 发 送 命 令 Ｓｅｎｄ
— Ｃｏｍｍａｎｄ是 否 为 １， 当 发 送 命 令 为 １时 ，将 使 能 信 号 ＮＳＳ
置 ０，告 之 ＦＰＧＡ，在 此 期 间接 受 到 的数 据 有 效 ，然 后 依 次 发
送 高 字 节 和 低 字 节 数 据 ，最 后 一 个 发 送 完 成 时 ， 将 发 送 命 令