基于FPGA的实时数据采集与远程传输系统设计

) 2 n o p q q r q s 1t u q vw u > q ?n o > x ? o xw ? yz r x o u { > o w r z ? | > ? x x { > ? | 2} 2 " # # # 3 ’ 24 , } x > ~ > ? |!? > " x { # > u $q s 1x { q ? w t u > o #% 1# u { q ? w t u > o # x > ~ > ? | p > ? w
按照操作模式将有关选择信号固 " # $ % 的 控 制6 定6 这样 " 6 # $ %只需控制 ) ( N ( ’6 ’ U * ;8 ’ U d 由于转化后的串行 7 8 %’ % 和’ U N * 8 等 4组信号 ! 数据流的速率是输入并行数据的 1 因此 " F倍 6 # $ % 控制并行数据输入的速率为 1 此外 6 由于系 1;‘e ! 统 时 钟 频 率 较 高6 # * D设 计 时 需 要 仔 细 考 虑 各 种
图 1 数据采集系统总体结构
每次数据采集过程中 6 " # $ % 对外部采样同步 信号进行分频和整形 6 送到各块信号转换板触发其 进行 %7 的 :;< 7 8 采样和按 * %9 地址顺次输出 1 = 串行数据流 !" # $ % 接收数据和其他外部信号量 6 进行串并转换 > 数学处理 > 前向纠错 ? 编码后 6 @ " ( * 再控 制 * C : 5 C芯 片 进 行 4 7 E AB * D D编 码 和 并 串 转 化后 6 通过光纤传送到远端的接收方 ! 每块信号转 换板有 1 每个通道在一次采样中提供 2 2 5个通道 6 F 并不 的数据 ! 这样 6 虽然数据流的速度 1 :;< 7 < G H = 是很 高 6 当使用 1 F块 信 号 转 换 板 时 每 次 采 集 的 数 据量也只有 2 但如果按系统要求依次对 E: F F< 6 G H 数据进行各项处理则需要大概 1: 当系统要 F FI 6 = 求以 最 小 采 样 周 期 B 5 FI ? 1=扫 描 12 5 F个 采 样 = 点@ 进行连续采 集 时 6 如何保证数据的实时性和准 确性就成为系统设计的难点和关键 !
万方数据
第 3期
崔俊杰 6 等l 基于 " # $ % 的实时数据采集与远程传输系统设计
3 : B
的采样和信号处理模式 !" # $ % 为 %& ’ ( ) % 公司 系列中的 ( 主要负责数据 1 1 2 3 2 4 5 6 * + , . / 0 # * " * 的采集与处理 !
背板上的终端匹配电阻为 4 数据信号的连接为 FW ! 菊花链形式 6 属于点对点的 & 因而分别 M8 N连 接 6 采用 8 C F 3 1 C F 3 2 N & MF %和8 N & MF % 作为驱动器和 接 收器 !& M8 N线路在 # * D设计时注意了器件 紧 邻接口 > 差 分 信 号 线 基 本 等 长 等 要 求6 并采用了外 带 磁 环 的 双 绞 线 作 为 传 输 媒 质6 取得了很好的效 果!
3 P 到越来越广泛的运用 O !
f g h i j 实时数据处理流水线的 实现
! " # $ % 中数据采集和处理的控制结构见图 2 表 1按 照 数 据 处 理 的 顺 序 给 出 了 相 关 主 要 模 块的功能 > 主 频 及 其 一 次 数 据 处 理 的 时 间6 其中时 间参数的误差在 k1I 之内 ! 从表 1中可以看出 6 = 顺次 完 成 一 次 数 据 处 理 的 整 个 流 程 需 要 约 1: F F 要满足以最小采样周期 连续采集时数据 6 B 5 FI I = = 的实时性 和 准 确 性 6 同 时 避 免 大 量 的 数 据 缓 存6 必 须采用流水线作业的方式 ! 流水线设计的关键在于 整个设计时序的 合 理 安 排 和 前 后 级 接 口 间 数 据 流 速的匹配 6 这对于多处模块接口存在时钟异步的本 系统而言 6 显得尤为重要 !
第* 卷第 ’ 期 # * # # +年 &月
数
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集
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4 q t { ? w r q s 5 w u w1o ’ t > # > u > q ?% / { q o x # # > ? |
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文章编) * # # + , # ’ % # ’ % # +
3 数据采集系统的总体设计
系统采用 4 如图 "所 / !9. / 0 1 的整体结构 2 示6 4 / ! 选 用 的 15 8z = 公 司 基 于 17 8(核 的 主要负责系统管理 " + 3 # #工 业 级 处 理 器 2 15& 8+ 和解 析 上 位 机 的 指 令 来 配 置 信 号 转 换 板 和 . / 0 1
J K J XY Z [ \ ] ^
数据采集系统与远端接收方之间的距 离 约 2 E 传输速度要求为 1 左右 6 每次传输数据 1 F;< 7 _6 = 量为 1E 3 :个字节 !考虑到系统对数据的精度和完 整性的严格要求 6 两 者 之 间 采 用 了 ‘a’ & G / b的 连 接方式 6 传输媒质为光纤 !‘a’ 公 & G / b是 * + S R 0 = = 司的高速长距离点对点串行通信产品系列 6 传输速 率可达到 1E F F;< 7 !‘a’ = G / b产品在发送端将 数据进行编码和并串转换 6 接收端进行解码和串并 转换 ! 发送端在无有效数据时自动发送空数据 6 接 收端能自动恢复时钟 6 传输的理论误码率为零 ! 本系统选用了 * 公司的 * C : 5 C作为 + S R 0 = = AB * 采用 ) ‘a’ & G / b 发 送 器6 ( " * & c控制的同步模 式6 使能内部 " 4 7 E V " a 和 5< G H D D编码 !为了简化
基于 . / 0 1 的实时数据采集与远程传输系统设计
崔俊杰 2郭 宏
北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院 2 北京 2 ) " # # # 3 ’ , 摘要 ! 针对 4 提出了一种基于可编程逻辑门阵 5 机扫描过程中对数据采集的快速性和传输的精确性的严格要求 2 列) 技术的实时数据采集与远程传输的设计方案 6 该 方 案 采 用 了 17 利用 . . / 0 1, 89. / 0 1 的体系结构2 / 0 1 实现了数据采集 : 缓冲 : 格式转换 : 前向纠错编码和 ;<5 并在数 = > ? @传输控制等实时信号处理的线 性 流 水 阵 列 2 据链路的物理接口和远程传输的精确度保障等方面提出了可靠的解决方法 6 同时 2 给出了一种 利 用 . / 0 1进行 高速高精度模拟量采集的方法 6 该方案成功地应用到通用电气公司某型号 4 5 机中 6 关键词 ! 数据采集 A 可编程逻辑门阵列 A 纠错 A 远程传输 中图分类号 ! " & C ’ 5 B& 文献标识码 ! 1
4 P 电磁干扰的影响 O !
J 数据传输的物理接口
J K L 低电压差分信号
" # $ % 与信号转换板之间的采样信号和数据 信 号均采用了低电压差分信号? 的物理接 @ & M8 N 口 !& 低电压摆幅的差分 M8 N是一种电流源驱动 > 信号 技 术6 与) 4 2 2 7 4 5 E 6 7 N ( * & # ( * &等 方 式 相 比 较6 它具有极低的功耗和噪声 > 高达 : 的传 E E;< 7 = 输速率> 低 廉 的 成 本 和 终 端 适 配 简 单 的 优 势6 正得
收稿日期 ! 修订日期 ! * # # $ % " # % * $ A * # # + % # " % " ’
了最高 " 的处理能力 A 文. 通过寻找各个 #8} 2 * / # 模 块数 据处 理时 间 的 最 优 分 配 点 来 提 高 系 统 整 体 的数据吞吐量 6 本文则注重灵活利用多种简单 : 有 效的数据同步接口技术 2 在多时钟系统中成功实现 了数据采集 : 实时处理和传输控制的流水线作业 6
!5 S & F R X M T R qw o p > x " xu p x# u { > o u { x ’ t > { x vx ? u # s q { { w ( > y ? x # # q s u p xy w u ww o ’ t > # > u > q ?w ? yu p x( { x o > % 2 % # > q ?q s y w u wu { w ? # v> # # > q ?y t { > ? |u p x# o w ? ? > ? |q s 4 5 vw o p > ? x # wy x # > | ?w ( ( { q w o ps q {u p x{ x w r * ’ t > # > u > q ?w ? y{ x vq u xu { w ? # v> # # > q ?# $ # u x v) w # x yq ?. / 0 1u x o p ? q r q | $> #( { x # x ? u x y u > vxy w u ww o % 5 p xw ( ( { q w o pw y q ( u #w ?q " x { w r r # u { t o u t { xq s 17 89. / 0 1w ? y{ x w r > + x #w{ x w r u > vx# > | ? w r ( { q % 2# 2s 2. o x # # > ? |w # # x v) r $r > ? xq sy w u ww o ’ t > # > u > q ? u q { w | x q { vw uo q ? " x { # > q ? z 4 o q y > ? |w ? y *1? ;<5 = > ? @u { w ? # v> # # > q ? y# q vxx s s x o u > " xvx u p q y #w { x| > " x yu qx ? # t { xu p x{ x r > w ) > r > u $q s u p x *1 p % % ( p $ # > o w r > ? u x { s w o x #w ? yu p x( { x o > # > q ?q s u p x{ x vq u xy w u wu { w ? # v> # # > q ? > | p # ( x x yw ? yp > | p *5 ( { x o > # > q ?vx u p q yu qw o ’ t > { xw ? w r q |# > | ? w r #> #w r # q( { q ( q # x y p xw ( ( { q w o p> #w ( ( r > x y> ?u p x4 5 * # o w ? ? x { ( { q y t o x y) $0 z4 q { ( q { w u > q ? !y A. A{ ZJ X W F w u ww o ’ t > # > u > q ? / 0 1Ax { { q { o q { { x o u > q ? x vq u xu { w ? # v> # # > q ? ,E 高速数据的 采 集 与 处 理 是 工 业 控 制 和 测 量 系 统的 重要 组成部 分 2 近年 来 2 与. / 0 1 技术的结合 逐渐成为其发展的一个新方向 6 与采用分离元件搭 建电路的传统模式相比 2 基于 . / 0 1 技术的新型数 据采集系统在处理速度 : 成本 : 可靠性 : 开发周期和 扩展能力等方面具有明显的优势 6 在对实时性要求较为严格的数据采集系统中 2 运用 . / 0 1 技术 的关键之 一在 于如何 合 理 地 控 制 与协调数据流在各个处理模块之间的传输 2 来实现 所要求的数据吞吐能力 6 文 . 采用了对数据流先 " / 分割再合并的 0 以面积换取速度 1 的设计思路 2 实现