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

江 楠，周 鵬

(中國(guó)人民解放軍92124部隊(duì)，遼寧大連 116023)

光纖通信即以光纖為傳輸介質(zhì)，以光波為載波傳輸光信息至相應(yīng)數(shù)據(jù)處理端。高錕于1966年將石英玻璃光學(xué)纖維通信材料首次提出，開(kāi)創(chuàng)了光纖通信網(wǎng)絡(luò)的先河。美國(guó)于1977年在芝加哥通過(guò)多模光纖首次完成了電話通信。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)也隨之快速地更新?lián)Q代，相繼開(kāi)發(fā)出第二、三、四、五代光纖產(chǎn)品［1］。通過(guò)光波復(fù)用手段能夠有效提高數(shù)據(jù)采集及傳輸速率，且放大光波能有效實(shí)現(xiàn)傳輸距離的增長(zhǎng)。在測(cè)量工程中，常應(yīng)用到采集瞬態(tài)信號(hào)，通常需要檢測(cè)設(shè)備能與高速數(shù)據(jù)采集的要求相符合，并確保被測(cè)信號(hào)范圍一定。

在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需檢測(cè)設(shè)備能夠執(zhí)行多路傳輸與采集功能。所有采集部分彼此不受影響，且相互獨(dú)立，單個(gè)探測(cè)器采集模塊同時(shí)也可實(shí)施多路數(shù)據(jù)采集。本研究主要對(duì)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(jìn)行分析與探討。

1 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就是高速采集數(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(shí)向上位機(jī)傳輸。在采樣多路通信分布中，所有采集模塊均包括8組通道，且所有通道均能完成 A/D數(shù)據(jù)(32位)的轉(zhuǎn)換及采集，并可達(dá)到4 Msample·s－1的速度，80 Mbit·s－1的總數(shù)據(jù)量［2］。數(shù)據(jù)高速傳輸，需有較大的總線傳輸容量，且還必須保證外界噪聲不會(huì)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)，不僅可滿足高寬帶的需要，且與光纖信號(hào)均不會(huì)被外界噪聲影響的特點(diǎn)相符合，最終可完成數(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(shì)主要包括:(1)光波傳輸容量較大、頻率較高。(2)具有良好保密性，不會(huì)受到電磁干擾。(3)信號(hào)不輕易衰減，具有較長(zhǎng)的中繼距離。(4)低廉、豐富的光纖材料來(lái)源，能夠節(jié)省眾多有色金屬，且光纖材料重量輕、直徑小，并具有良好地可撓性。隨著現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充、建設(shè)及提速，對(duì)光纖材料的需求也隨之不斷增長(zhǎng)［3］。

2 在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 高速采集模塊

將Atmega168芯片應(yīng)用于系統(tǒng)主控制器中，時(shí)鐘時(shí)序由CPLD產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速數(shù)據(jù)的控制及采集，數(shù)據(jù)采集模塊具體方案如圖1所示。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行原理為:通過(guò)傳感器將模擬量信號(hào)中攜帶的物理量信息進(jìn)行電壓量的轉(zhuǎn)化，再通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換模塊以數(shù)字電壓量代替模擬電壓量，進(jìn)而實(shí)施數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸及處理。由CPLD和AVR共同控制完成高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對(duì)所采集到的模擬信號(hào)實(shí)施模數(shù)轉(zhuǎn)換后，在FIFO中緩存結(jié)果，再在Flash陳列中進(jìn)行轉(zhuǎn)存與保存［4］。整個(gè)系統(tǒng)工作過(guò)程中，F(xiàn)IFO既具有緩存作用，還可使A/D對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)位數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的匹配問(wèn)題得到全面解決，有效調(diào)整了與Flash存儲(chǔ)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

2.2 控制程序設(shè)計(jì)

在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，編程采集功能的實(shí)現(xiàn)選用兩條通道實(shí)施時(shí)鐘分析，若控制信號(hào)屬于低電平狀態(tài)，觸發(fā)采集，8路數(shù)據(jù)通道存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，EOC電平逐漸下降［5］。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，所有通道均具有相同的工作原理，且最終都在存儲(chǔ)區(qū)中存入所采集到的數(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(shí)實(shí)施8通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及控制，所產(chǎn)生出的波形如圖2所示。由此可見(jiàn)，1、3、4、5四路將8個(gè)連續(xù)脈沖分別產(chǎn)生出來(lái)，且具有準(zhǔn)確的時(shí)序位置，即控制器可同時(shí)對(duì)8路信號(hào)進(jìn)行采集與控制，不會(huì)發(fā)生時(shí)序或邏輯方面的錯(cuò)誤［6］。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)中的采集程序符合設(shè)計(jì)要求，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10 Mbit·s－1計(jì)算出來(lái)。采用電光調(diào)制將采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行成光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并于光纖通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)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

2.3 外接存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

光纖通信網(wǎng)絡(luò)在通過(guò)光的形式與模塊接入后，其數(shù)據(jù)速率比FPGA數(shù)據(jù)處理能力高，為了能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地傳輸信號(hào)，故設(shè)計(jì)外接存儲(chǔ)體是必要的。

多累存儲(chǔ)器在市場(chǎng)中有多種，其中主要包括DDRSDRAM、SDRAM、VCM、DRDRAM 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(jì)相結(jié)合，該系統(tǒng)選用 DDRSDRAM［7］。

DDRSDRAM通過(guò)雙倍速率結(jié)構(gòu)增加對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行高速讀取的能力，此雙倍速率結(jié)構(gòu)中的所有時(shí)鐘周期均會(huì)實(shí)施讀寫(xiě)操作，從而達(dá)到雙倍數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度的效果。此外，控制命令、數(shù)據(jù)及地址被寄存在不同的時(shí)鐘跳沿，所以DDRSDRAM必須精準(zhǔn)的對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行判斷。為與該要求相滿足，時(shí)鐘信號(hào)于DDRSDRAM中通過(guò)雙端差動(dòng)實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸，即CK#與CK.在CK變高、CK#變低的情況下，會(huì)認(rèn)定CK為上跳沿;而若CK變低、CK#變高的情況下，會(huì)有時(shí)鐘CK下跳沿的認(rèn)識(shí)［8］。時(shí)鐘CK上跳沿對(duì)控制命令與地址予以寄存，可將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行高、低劃分，并分別存儲(chǔ)在時(shí)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，如圖3所示。與系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量要求與處理速度相結(jié)合，選用現(xiàn)階段技術(shù)較成熟的HY5DU(L)T芯片。該芯片擁有32 MB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2×16×166×106=5.312 Gbit·s－1。由此可見(jiàn)，DDRSDRAM 芯片并不能解決光纖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)速率在10 Gbit·s－1時(shí)所存在的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題［9］。此外，因系統(tǒng)設(shè)計(jì)難以滿足DDRSDRAM芯片速率最高值，故為了確保外部存儲(chǔ)器余量充足，可通過(guò)4片芯片并聯(lián)模式有效提升數(shù)據(jù)吞吐力，使其達(dá)到 21.248 Gbit·s－1。

圖3 DDR SDRAM在系統(tǒng)中的工作原理圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

在對(duì)基于光纖通信網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，需通過(guò)對(duì)已知信號(hào)進(jìn)行采集，并將信號(hào)存儲(chǔ)后，對(duì)比已知信號(hào)，最終完成測(cè)試。具體測(cè)試步驟為:通過(guò)光通信協(xié)議儀將特殊信號(hào)發(fā)送出去，達(dá)到9.953 Gbit·s－1的信號(hào)速率，15 520 Byte 的幀長(zhǎng)，為便于分析信號(hào)，需對(duì)信號(hào)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，并將5設(shè)置在幀內(nèi)剩余部位，由此避免對(duì)信號(hào)實(shí)施直接擾碼與傳輸。在對(duì)光信號(hào)接收后，系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)施光電降速與轉(zhuǎn)換處理，由系統(tǒng)中的FPGA對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)鐘實(shí)施接收，對(duì)其相應(yīng)處理后轉(zhuǎn)入外部存儲(chǔ)器實(shí)施緩存［10］。數(shù)據(jù)存滿外部存儲(chǔ)器后，可暫停采集數(shù)據(jù)，根據(jù)順序?qū)ν獠看鎯?chǔ)器數(shù)據(jù)實(shí)施重新讀取，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中送入千兆以太網(wǎng)接口實(shí)施統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。試驗(yàn)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(gè)0，所有凈荷均為常數(shù)5。試驗(yàn)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(duì)系統(tǒng)誤碼率進(jìn)行測(cè)試，將固定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為偽隨機(jī)碼以做信號(hào)凈荷，結(jié)果顯示誤碼率在10～12以下。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于光纖通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)一種高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)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。同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)8路通道在高速采集下數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可完成多通道高速的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)光纖通信網(wǎng)絡(luò)還可對(duì)系統(tǒng)上機(jī)位完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸工作。

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