基于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中光纖通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究

【摘 要】光纖通信是信息化的主要技術(shù)之一，同時也是二十一世紀重要的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用光纖通信網(wǎng)絡(luò)，可提高數(shù)據(jù)采集能力。本文則對光纖通信網(wǎng)絡(luò)在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用進行詳細分析。

【關(guān)鍵詞】高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 光纖通信網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)用

所謂光纖通信，就是以光纖為傳輸介質(zhì)，以光波為載波傳輸光信息至相應(yīng)數(shù)據(jù)處理端。第一代光纖材料就是0.85μm多模光纖。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，材料與技術(shù)也隨之以較快的速度更新?lián)Q代著，相繼開發(fā)出第二、三、四、五代光纖產(chǎn)品。通過光波復(fù)用手段能夠有效提高數(shù)據(jù)采集及傳輸速率，且放大光波能夠有效實現(xiàn)傳輸距離的增長。在測量工程中，采集瞬態(tài)信號會被經(jīng)常應(yīng)用到，通常需要檢測設(shè)備能夠與高速數(shù)據(jù)采集要求相滿足，并確保被測信號范圍一定。本研究主要對光纖通信網(wǎng)絡(luò)在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用進行分析與探討。

一、光纖通信網(wǎng)絡(luò)

光纖通信網(wǎng)絡(luò)與高速數(shù)據(jù)采集模塊共同組成高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高速數(shù)據(jù)采集模塊的主要作用是高速采集數(shù)據(jù)，光纖通信網(wǎng)絡(luò)的主要作用是將所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息及時向上位機傳輸。在采樣多路通信分布中，所有采集模塊都包括8組通道，且所有通道都能夠完成AD數(shù)據(jù)（32位）的轉(zhuǎn)換及采集，達到4mSPS的速度，達到80mB/s的總數(shù)據(jù)量。數(shù)據(jù)高速傳輸，需要有比較大的總線傳輸容量，而且還必須保證外界噪聲不會影響到該系統(tǒng)。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用光纖通信網(wǎng)絡(luò)，不僅可以滿足高寬帶之需，而且還可以與光纖信號不會被外界噪聲影響的特點相符合，最終能夠完成數(shù)據(jù)采集及傳輸。

光纖通信網(wǎng)絡(luò)在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢主要包括：a.光波傳輸容量比較大、頻率比較高；b.具有良好保密性，不會受到電磁的干擾；c.信號不輕易衰減，具有較長中繼距離；d.低廉、豐富的光纖材料來源，能夠節(jié)省很多有色金屬，光纖材料重量輕、直徑小，且具有良好的可撓性，隨著現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的擴充、建設(shè)及提速，對光纖材料的需求也隨之不斷增長。

二、光纖通信網(wǎng)絡(luò)在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

（一）高速采集模塊

將Atme ga168芯片應(yīng)用于系統(tǒng)主控制器中，時鐘時序由CPLD產(chǎn)生，實現(xiàn)對高速數(shù)據(jù)的控制及采集，數(shù)據(jù)采集模塊具體方案見圖1。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行原理為：通過傳感器將模擬量信號中攜帶的物理量信息進行電壓量的轉(zhuǎn)化，再通過ADC轉(zhuǎn)換模塊以數(shù)字電壓量代替模擬電壓量，進而實施數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸及處理。有CPLD和AVR共同控制完成高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對所采集出來的模擬信號實施模數(shù)轉(zhuǎn)換后，在FIFO中緩存結(jié)果，再在FLASH陳列中進行轉(zhuǎn)存與保存。整個系統(tǒng)工作中，F(xiàn)IFO既具有緩存作用，能夠還使A/D對相關(guān)數(shù)據(jù)位數(shù)進行轉(zhuǎn)換的匹配問題得到了全面解決，有效調(diào)整了和FLASH存儲器中所包含的數(shù)據(jù)線位數(shù)。

圖1 高速數(shù)據(jù)采集模塊方案

（二）控制程序的設(shè)計

在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，編程采集功能的實現(xiàn)，選用兩條通道實施時鐘分析，如果控制信號屬于低電平狀態(tài)，觸發(fā)采集，引腳工作，8路數(shù)據(jù)通道存儲所采集的數(shù)據(jù)，EOC電平逐漸下降。在數(shù)據(jù)采集的整個過程中，所有通道都具有相同的工作原理，最終都是在存儲區(qū)中存入所采集的數(shù)據(jù)。

以此為基礎(chǔ)，在CPLD中載入相關(guān)程序，系統(tǒng)性調(diào)試電路，同時實施8個通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及控制，所產(chǎn)生出來的波形見圖2，由此可見，1、3、4、5四路將8個連續(xù)脈沖分別產(chǎn)生出來，且具有準(zhǔn)確的時序位置，即：控制器可以同時對8路信號進行采集與控制，不會發(fā)生時序或者邏輯方面的錯誤。因此，光纖通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的采集程序可以與設(shè)計要求相滿足，依照所采集的脈沖寬度，能夠?qū)⑾到y(tǒng)采集速度最高值為10mb/s計算出來。采用電光調(diào)制將所采集的數(shù)字信號進行成光信號的轉(zhuǎn)換，并于光纖通信網(wǎng)絡(luò)中實施加載，再采用光纖通信網(wǎng)絡(luò)將所采集的數(shù)據(jù)傳輸至高速數(shù)據(jù)主控制系統(tǒng)中。

圖2 8路高速數(shù)據(jù)采集波形圖

（三）外接存儲器的設(shè)計

光纖通信網(wǎng)絡(luò)在通過光的形式與模塊相接入后，其數(shù)據(jù)速率要比FPGA數(shù)據(jù)處理能力高很多，為能夠?qū)崿F(xiàn)無誤、實時的傳輸信號，所以設(shè)計外接存儲體是極為有必要的。多類存儲器在市場中有多種，其中主要包括DDRSDRAM（雙倍速率）、SDRAM（同步動態(tài)隨機存儲器）、VCM（虛擬通信存儲器）、DRDRAM（動態(tài)接口隨機存儲器）等，根據(jù)光纖通信具有高速率、大數(shù)據(jù)量等特征，再與總體硬件設(shè)計相結(jié)合，該系統(tǒng)對DDRSDRAM進行了選用。

DDRSDRAM通過雙倍速率結(jié)構(gòu)增加對所采集數(shù)據(jù)進行高速讀取的能力，數(shù)據(jù)此雙倍速率結(jié)構(gòu)中的所有時鐘周期都會實施著讀寫操作，達到雙倍數(shù)據(jù)讀寫速度效果。此外，控制命令、數(shù)據(jù)及地址被寄存在不同的時鐘跳沿，所以DDRSDRAM必須極為精準(zhǔn)的對時鐘進行判斷。為與該要求相滿足，時鐘信號于DDRSDRAM中通過雙端差動實施數(shù)據(jù)傳輸，即CK#與CK.在CK變高、CK#變低的情況下，會有是CK上跳沿的認識，而如果CK變低、CK#變高的情況下，會有時鐘CK下跳沿的認識[2]。時鐘CK上跳沿對控制命令與地址予以寄存，可將所采集的數(shù)據(jù)進行高、低劃分，并分別存儲在時鐘上下跳沿。

DDR SDRAM在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的工作原理見圖3。與系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲容量要求與處理速度相結(jié)合，選用現(xiàn)階段技術(shù)比較成熟的HY5DU（L）T芯片。這種芯片有著32MB的容量，16位的數(shù)據(jù)總線寬度，芯片在最佳狀態(tài)下的數(shù)據(jù)吞吐率最大值為2×16×166 M=5.312Gb/s。由此可見，DDRSDRAM芯片并不能解決光纖信號網(wǎng)絡(luò)速率在10Gb/s時所存在的數(shù)據(jù)存儲問題。此外，因為系統(tǒng)設(shè)計很難滿足DDRSDRAM芯片速率最高值，所以，為確保外部存儲器余量充足，通過4片芯片并聯(lián)模式能夠有效提升數(shù)據(jù)吞吐力，使其達到21.248Gb/s。

圖3 DDR SDRAM在系統(tǒng)中的工作原理圖

三、系統(tǒng)測試

在對基于光纖通信網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行性能測試時，需要通過對已知信號進行采集，并將信后存儲后，對比已知信號，最終完成測試。具體測試步驟為：通過光通信協(xié)議儀將特殊信號發(fā)送出去，達到9.953Gb/s的信號速率，15520字節(jié)的幀長，為便于分析信號，需要對信號幀同步碼設(shè)置成“F6 F6 F6 28 28 28”的序列，將0設(shè)置在幀頭剩余部位，將5設(shè)置在幀內(nèi)剩余部位。避免對信號實施直接擾碼與傳輸。在對光信號接收后，系統(tǒng)應(yīng)該實施光電降速與轉(zhuǎn)換處理，由系統(tǒng)中的FPGA對數(shù)據(jù)及時鐘實施接收，對其相應(yīng)處理后轉(zhuǎn)入外部存儲器實施緩存。數(shù)據(jù)存滿外部存儲器后，可暫停采集數(shù)據(jù)，根據(jù)順序?qū)ν獠看鎯ζ鲾?shù)據(jù)實施重新讀取，在計算機系統(tǒng)中送入千兆以太網(wǎng)接口實施統(tǒng)計對比分析。試驗結(jié)果得出數(shù)據(jù)幀同步碼，即：“F6 F6 F6 28 28 28”，這些同步碼后有若干個0，所有凈荷均是常數(shù)5。試驗結(jié)果顯示，發(fā)送特定數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)相同。此外，為對系統(tǒng)誤碼率進行測試，將固定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為偽隨機碼以做信號凈荷，結(jié)果顯示誤碼率在10～12以下。

四、結(jié)束語

基于光纖通信網(wǎng)絡(luò)對一種高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了設(shè)計，通過多路數(shù)據(jù)采集方式，并與光纖通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，使得高速數(shù)據(jù)采集能力得到大幅提高，通過試驗對8路通道在高速采集下數(shù)據(jù)采集結(jié)果進行分析，結(jié)果顯示，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠多通道高速采集數(shù)據(jù)，通過光纖通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)ο到y(tǒng)上機位完成數(shù)據(jù)的采集與最終傳傳輸工作。

參考文獻：

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