基于FPGA與SRAM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

江麗++肖思其

摘 要：傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大都是由ARM+DSP實現(xiàn)的，雖然DSP的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)處理，但是隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，很多FPGA已經(jīng)可以取代DSP的作用了。尤其是在高速實時的數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，采集回來的數(shù)據(jù)速度高，數(shù)據(jù)處理相對簡單（平均處理），使用FPGA構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能更加快速地對采集的信息進(jìn)行快速處理。本設(shè)計的工程的具體應(yīng)用背景是光纖通信檢測儀，期中數(shù)據(jù)采集與處理模塊有別于傳統(tǒng)的MCU架構(gòu)，采用的是FPGA+SRAM架構(gòu)，可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集與處理。

關(guān)鍵詞：FPGA SMAM 高速數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（c）-0039-02

FPGA架構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比較于MCU系統(tǒng)，存在以下工作優(yōu)勢：（1）數(shù)據(jù)處理及運算速度快；（2）采用并行的數(shù)據(jù)處理模式，純硬件化設(shè)計不會出現(xiàn)死機(jī)或程序跑飛等問題；（3）采樣點多也可以抑制測量誤差。因此可實現(xiàn)高速實時信號采集與處理。本設(shè)計采用的是FPGA+SRAM架構(gòu)。實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的采集與運算處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

系統(tǒng)從總體上講可分為三大部分，分別為信號收發(fā)部分、數(shù)據(jù)處理部分和數(shù)據(jù)顯示部分，如圖1所示。

信號接收模塊由以下個不同功能部分構(gòu)成：脈沖發(fā)生器，會產(chǎn)生一個脈沖信號，也就是光脈沖，通過激光二極管，再經(jīng)由分路器，光纖連接器注入到待測量的光纖中，背向散射和反射信號會在光脈沖的傳輸過程中產(chǎn)生，光纖不僅可以傳輸光信號，還可以反射回散射信號，反射回來的光信號通過光分路器的另一路作用于光敏二極管，放大器實現(xiàn)的功能是可以將光敏二極管采集的微弱信號進(jìn)行放大，A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的功能是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再將數(shù)據(jù)輸送給信號處理器進(jìn)行處理[1]。

數(shù)據(jù)處理模塊主要完成的是對采集信號的算法處理。它不僅可以控制脈沖寬度，并控制兩個并行脈沖之間的距離和取樣信號。為了改善信號軌跡結(jié)果的信噪比，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多重發(fā)送，在數(shù)據(jù)算法處理上，采用了平均算法因為噪聲是隨機(jī)的，因此，可以通過求得一定距離的數(shù)據(jù)點把它們加以平均，噪聲被平均后無限趨近于零，并且剩下的數(shù)據(jù)將更準(zhǔn)確地反映背向散射和反射程度。

數(shù)據(jù)顯示模塊實現(xiàn)的功能是，將處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果通過顯示模塊顯示出來。結(jié)果是以波形的形式顯示出來的，橫坐標(biāo)表示距離，縱坐標(biāo)表示功率，通過鍵盤獲得用戶要輸入的設(shè)置信息，并根據(jù)這些設(shè)置來控制信號的收發(fā)和處理。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

本系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示，整個方案主要由ARM與FPGA組合構(gòu)建，系統(tǒng)包括以下功能模塊：人機(jī)交互模塊、AD數(shù)據(jù)采集模塊、由FPGA主控芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理模塊、由ARM構(gòu)成的數(shù)據(jù)顯示模塊?？梢酝ㄟ^人機(jī)界面向系統(tǒng)輸入對應(yīng)的參數(shù)指令。人機(jī)交互模塊主要可以設(shè)置脈沖寬度、采樣點數(shù)，以及選擇發(fā)送何種波長的激光。AD數(shù)據(jù)采集模塊、由FPGA主控芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理模塊、完成數(shù)據(jù)的采集與運算處理，運算處理后的結(jié)果存儲到SRAM里。數(shù)據(jù)循環(huán)采集，結(jié)果累加后再進(jìn)行平均。完成數(shù)據(jù)處理后，采用串口發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與ARM的通訊與數(shù)據(jù)顯示[1]。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分采用分模塊化設(shè)計如圖2所示。

FPGA采用在PS方式下，DCLK表示配置時鐘，F(xiàn)PGA主控芯片大都內(nèi)部都自帶時鐘源，也可為外部時鐘源提供的時鐘，配置數(shù)據(jù)用DATA表示，nCONFIG為配置命令，主要功能為配置控制狀態(tài)的輸入；器件復(fù)位時低電平有效。DATA是配置數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA接收配置時鐘、配置命令和配置數(shù)據(jù)，給出配置的狀態(tài)信號以及配置完成指示信號[3]。

3 數(shù)據(jù)分析與總結(jié)

數(shù)據(jù)處理模塊主要完成的是對采集信號的算法處理。它不僅可以控制脈沖寬度，并控制兩個并行脈沖之間的距離和取樣信號。為了改善信號軌跡結(jié)果的信噪比，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多重發(fā)送，在數(shù)據(jù)算法處理上，采用了平均算法因為噪聲是隨機(jī)的，通過求得一定距離的數(shù)據(jù)點把它們加以平均，噪聲被平均后無限趨近于零，并且剩下的數(shù)據(jù)將更準(zhǔn)確的反映背向散射和反射程度。

參考文獻(xiàn)

[1] 牛琨.基于ARM的OTDR系統(tǒng)及其應(yīng)用軟件設(shè)計[D].天津大學(xué)，2008.

[2] 張愷.基于ARM的OTDR控制系統(tǒng)的構(gòu)建[D].天津大學(xué)，2007.

[3] 張新慧，彭麗芳，陳宗軍，等.利用重復(fù)采樣技術(shù)提高OTDR中ADC量化精度[J].山東理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2002，16（4）：34-37.endprint