基于FPGA的陣列信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)*

李廣志，周卓赟，謝昱勃，范新南，張學(xué)武

（1.江蘇省世界水谷與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 211100；2.河海大學(xué)江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 常州 213022；3.河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州213022）

基于FPGA的陣列信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)*

李廣志1，2，3，周卓赟3，謝昱勃3，范新南1，2，3，張學(xué)武3

（1.江蘇省世界水谷與水生態(tài)文明協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 211100；2.河海大學(xué)江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 常州 213022；3.河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州213022）

針對陣列信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計要求具有幅相一致、速度快、大數(shù)據(jù)量的特點，設(shè)計了一種基于FPGA的陣列信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以同步采樣A/D轉(zhuǎn)換器為核心，配合基于FPGA的控制單元，完成 128路陣列信號同步采樣功能。同時采用88E1111作為網(wǎng)絡(luò)PHY芯片，完成與上位機之間的千兆位UDP通信，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量高速傳輸功能。經(jīng)測試，系統(tǒng)實現(xiàn)了對128路陣列信號的采集與傳輸，具有良好的幅度一致性、相位一致性以及快速、穩(wěn)定的特點。

陣列信號數(shù)據(jù)采集；FPGA；同步采樣；UDP

0　引言

陣列信號處理是信號處理領(lǐng)域的一個重要分支，在雷達、聲納、無線通信等許多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[1]。其中，多通道同步采集與大數(shù)據(jù)量的高速傳輸是陣列信號處理中一個相當重要的環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有的采集系統(tǒng)大多存在如下問題[2-5]：(1)通道路數(shù)較少，通常為幾路或十幾路，難以滿足陣列信號多達上百路信號采集的需求。(2)數(shù)據(jù)傳輸速率較低，以以太網(wǎng)傳輸為例，大部分仍采用百兆傳輸速率，鮮有采用千兆甚至更高的傳輸速率，難以滿足陣列信號大數(shù)據(jù)量的高速傳輸需求。(3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要多種處理器相互協(xié)作，對系統(tǒng)的設(shè)計、測試以及部署提出了很大的挑戰(zhàn)。

本設(shè)計較現(xiàn)有的陣列信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在設(shè)計方案、通道路數(shù)以及傳輸方式等方面均有較大的改進，如系統(tǒng)所有邏輯、協(xié)議均在一片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)，無需額外采用其他處理器，降低了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度；UDP傳輸協(xié)議采用Verilog硬件描述語言進行硬實現(xiàn)，大幅提高了傳輸?shù)乃俣群托?；AD采樣電路采用同步采樣AD芯片，確保了多通道之間的相位一致性；系統(tǒng)通道路數(shù)達到128路，能夠滿足陣列信號對通道路數(shù)的要求。整個系統(tǒng)具有較好的通道間幅相一致性、較高的傳輸速度以及通道數(shù)較多等突出特點。本文介紹了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方案。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1系統(tǒng)的設(shè)計思路

系統(tǒng)的設(shè)計主要圍繞以下三點展開：

（1）滿足系統(tǒng)功能需求。主要滿足多通道、同步采集以及數(shù)據(jù)傳輸這三個功能需求。

（2）滿足系統(tǒng)精度需求。主要滿足通道的分辨率、采樣率、通道數(shù)的需求，滿足系統(tǒng)幅度一致性和相位一致性的需求，以及滿足多通道數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)男枨蟆?/p>

（3）降低系統(tǒng)復(fù)雜度。即在保證滿足（1）和（2）的前提下，盡可能減少A/D轉(zhuǎn)換芯片的個數(shù)以及減少處理器的個數(shù)。

1.2系統(tǒng)的設(shè)計方案

系統(tǒng)整體原理圖如圖1所示。128路模擬信號經(jīng)過濾波模塊后，由A/D轉(zhuǎn)換模塊進行同步采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號在控制模塊控制下，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、按照UDP協(xié)議在光纖中進行傳輸，從而實時上傳到計算機中進行顯示、存儲以及處理等。控制模塊是系統(tǒng)的控制中心，不僅完成A/D轉(zhuǎn)換器的控制，同時還完成數(shù)據(jù)信號的緩存、UDP傳輸協(xié)議實現(xiàn)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸芯片的控制。

圖1　系統(tǒng)整體原理圖

2　系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1濾波模塊

濾波模塊選用TI公司OPA4140搭建有源濾波器，對輸入信號進行有源濾波，將輸入的差分信號轉(zhuǎn)成單端信號，同時完成與后端A/D轉(zhuǎn)換模塊的阻抗匹配。OPA4140是一款精密、低噪聲、軌對軌輸出的JFET放大器，適用于搭建有源濾波器及構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。OPA4140電路如圖2所示。圖中僅展示了一個通道，其他通道相同。為了保證通道間的幅值一致性，所有電阻均選用0.01%精度。

圖2　OPA4140電路原理圖

2.2A/D轉(zhuǎn)換模塊

通過對系統(tǒng)的采樣率、分辨率、通道數(shù)以及同步性等要求的分析，最終選用TI公司的ADS8556作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。ADS8556是一款 16位、6通道的同步采樣 A/D轉(zhuǎn)換芯片，6個通道相互獨立，通過外部轉(zhuǎn)換信號，可進行并行采樣、轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中輸入共有 128路，因此僅需22片芯片就可完成任務(wù)。將每片芯片的轉(zhuǎn)換信號連接到一起，可以實現(xiàn)22片芯片的同步轉(zhuǎn)換，保證了系統(tǒng)對相位一致性的要求。

ADS8556既可以配置成并行接口，也可以配置成串行接口。本系統(tǒng)中有22片芯片，如果配置成并行接口，則與后級的控制系統(tǒng)間接線復(fù)雜，因此配置成串行接口。ADS8556具體配置如圖3所示。圖中僅展示了一個芯片的配置，其他芯片相同。

圖3　ADS8556配置電路原理圖

由于22片 ADS8556同時工作，因此幀同步信號AD_Frame_Synch、轉(zhuǎn)換同步信號 AD_CONV_ABC、復(fù)位信號AD_RST、串行接口時鐘信號AD_SCLK以及串行輸入信號 AD_SDI均 22片共用，每片的數(shù)據(jù)輸出 SDO_A、SDO_B以及SDO_C均單獨連接到后級的控制系統(tǒng)。

2.3控制模塊

為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，控制模塊選用FPGA實現(xiàn)。綜合考慮到系統(tǒng)所需的管腳數(shù)量，F(xiàn)PGA核心板最終選用微雪電子公司的CoreEP4CE10型號。CoreEP4CE10是一款基于 Altera公司 EP4CE10F17C8N為主控芯片的核心板，板載 Altera FPGA最基本電路，引出了所有的 I/O資源，帶有JTAG調(diào)試下載接口，同時采用2.0 mm排針，體積小，適合作為核心板接入用戶系統(tǒng)。

2.4網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊主要解決數(shù)據(jù)在光纖中高速傳輸?shù)膯栴}。考慮到系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的需求以及系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊選用Marvell公司的 88E1111芯片來實現(xiàn)。

88E1111是單片高性能千兆位以太網(wǎng)物理層芯片，可直接連接到光纖收發(fā)器。本模塊采用88E1111和千兆單模SFP完成千兆位以太網(wǎng)光纖傳輸接口，與FPGA控制系統(tǒng)MAC層接口采用GMII接口。

88E1111解決了以太網(wǎng)物理層傳輸問題，協(xié)議層在基于FPGA的控制模塊中通過Verilog HDL進行硬實現(xiàn)，提高了協(xié)議層的工作效率。

2.5電源模塊

清潔、穩(wěn)定的電源模塊是整個系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，尤其是模擬部分。因此重點介紹模擬部分電源設(shè)計。

本系統(tǒng)模擬電路部分需要±5 V和±7 V四種電壓。為了滿足系統(tǒng)的要求，模擬電路部分的電源設(shè)計首選低噪聲、高電源抑制比、低壓降的線性穩(wěn)壓器。

本設(shè)計中采用TI公司的TPS7A49正電源線性穩(wěn)壓器和TPS7A30負電源線性穩(wěn)壓器。TPS7A49和TPS7A30是具有超低噪聲、高電源抑制比、低壓降的線性穩(wěn)壓器，輸入電壓可達到±36 V，輸出可調(diào)節(jié)，且TPS7A49噪聲可低至 12.7 μVRMS，TPS7A30噪聲可低至 14 μVRMS。在保證輸出穩(wěn)定的同時，輸出電容可選用陶瓷電容，較鉭電容相比，可實現(xiàn)更小的PCB尺寸和更低的BOM成本。TPS7A30與TPS7A49配合使用，可為運算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)更高的精度提供有力保障。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

系統(tǒng)整體控制流程如圖4所示，系統(tǒng)軟件部分主要包括：系統(tǒng)初始化、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)、A/D轉(zhuǎn)換器控制以及相互之間的協(xié)調(diào)。

圖4　系統(tǒng)整體控制流程圖

系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)初始化配置，然后進入接收命令等待狀態(tài)。接收到上位機從網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的啟動命令后，執(zhí)行任務(wù)1和任務(wù)2。系統(tǒng)所有代碼全部基于Verilog HDL實現(xiàn)[6，7]，因此任務(wù) 1和任務(wù) 2是并行執(zhí)行。任務(wù)1主要完成A/D轉(zhuǎn)換器的控制、數(shù)據(jù)讀取以及UDP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的實現(xiàn)；任務(wù)2主要是監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)下行命令，接收到停止命令時，將停止控制信號傳遞給任務(wù)1，當任務(wù)1完成當前發(fā)送任務(wù)后，系統(tǒng)停止。

ADS8556采用串行接口方式。首先將CONVST_x信號拉高并啟動轉(zhuǎn)換，然后檢測到BUSY信號變?yōu)楦唠娖剑龣z測到其下降沿時，拉低 FS信號，則A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿輸出，處理器可以在緊挨著的SCLK下降沿讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)開始于最高有效位。在FS拉低的同時，配置數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿鎖存，處理器在之前的SCLK的上升沿送出配置數(shù)據(jù)，同樣，配置數(shù)據(jù)開始于最高有效位。

網(wǎng)絡(luò)收發(fā)部分主要完成 UDP/IP協(xié)議的硬實現(xiàn)，具體包括傳輸層的UDP發(fā)送、UDP接收，網(wǎng)絡(luò)層的IP發(fā)送、IP接收以及鏈路層的ARP發(fā)送和ARP接收。UDP/IP協(xié)議規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?，根?jù)規(guī)定的格式，通過Verilog HDL語言，按照字節(jié)的先后順序進行實現(xiàn)即可。

3.2簡易幅相測試腳本編寫

簡易幅相測試腳本采用 Matlab進行開發(fā)[8]，用于快速直觀判斷系統(tǒng)是否具有較好的幅相一致性。

軟件通過讀取上位機保存的 128通道數(shù)據(jù)，按通道進行處理后，借助Matlab中的imagesc函數(shù)進行顯示。

關(guān)鍵腳本代碼如下：

4　系統(tǒng)測試與分析

4.1多通道幅相一致性測試

將128路模擬輸入連接到一起，通過信號發(fā)生器產(chǎn)生一個正弦波信號，采集系統(tǒng)對該信號進行采集，通過光纖上傳至上位機進行保存，然后借助簡易幅相測試腳本對數(shù)據(jù)前100個樣點進行分析。1-30通道幅相一致性檢測結(jié)果如圖5所示，同樣可以分析剩余的31到128通道。

圖5　1-30通道數(shù)據(jù)幅相一致性分析結(jié)果示意圖

由圖5可以看出，系統(tǒng)具有較高的多通道幅相一致性。通過進一步計算，可以得出系統(tǒng)滿足設(shè)計需求：通道間幅度一致性≤1 dB，相位一致性≤3°。

4.2采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度測試

上位機將采集系統(tǒng)設(shè)置為全速狀態(tài)，通過Windows系統(tǒng)自帶的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視工具來監(jiān)視系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)速度，可知系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速度可以穩(wěn)定運行在600 Mb/s以上，滿足陣列信號采集系統(tǒng)穩(wěn)定、高速傳輸大量數(shù)據(jù)的需求。

5　結(jié)論

本文設(shè)計了一種以FPGA為核心，配合ADS8556和88E1111構(gòu)成的多通道同步采集系統(tǒng)。借助FPGA的多路高速并行的優(yōu)勢，完成對ADS8556和88E1111的邏輯控制，實現(xiàn)多通道同步采集和數(shù)據(jù)的高速穩(wěn)定傳輸。

本系統(tǒng)通道數(shù)達到128路，同時通道間具有較好的幅相一致性，且能滿足采集數(shù)據(jù)的高速實時傳輸要求。

系統(tǒng)現(xiàn)已投入陣列信號水聲方向的相關(guān)實際應(yīng)用中，在地面功能測試、水池驗收測試以及多次海測中均運行正常。通過實踐證明該系統(tǒng)完全滿足陣列信號要求的幅相一致性和數(shù)據(jù)高速穩(wěn)定傳輸?shù)囊?，具有較高的實用價值。

[1]張小飛，汪飛，陳偉華.陣列信號處理的理論與應(yīng)用（第2版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[2]楊博，張加宏，李敏，等.基于 ARM的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2015(2)：104-107.

[3]孫曉杰.大數(shù)據(jù)量多通道實時高速采集系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2015.

[4]李攀.陣列信號同步采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[5]王剛，王躍科，喬純捷.基于以太網(wǎng)的陣列信號采集與處理系統(tǒng)設(shè)計[C].第十七屆全國測控計量儀器儀表學(xué)術(shù)年會（MCMI'2007），中國福建廈門，2007.

[6]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程（第2版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[7]吳繼華，王誠.Altera FPGA/CPLD設(shè)計（基礎(chǔ)篇）[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[8]李剛.MATLAB函數(shù)速查手冊[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

Data acquisition system for array signal based on FPGA

Li Guangzhi1，2，3，Zhou Zhuoyun3，Xie Yubo3，F(xiàn)an Xinnan1，2，3，Zhang Xuewu3
(1.Jiangsu Provincial Collaborative Innovation Center of World Water Valley and Water Ecological Civilization，Nanjing 211100，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Power Transmission and Distribution Equipment Technology，Hohai University，Changzhou 213022，China；3.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China)

To satisfy the requests of data acquisition system for array signal in amplitude-phase consistency,high speed and large volume,a kind of data acquisition system for array signal based on FPGA is designed.The system uses the synchronous A/D converter as the core to synchronous sample input signals.With the cooperation of control unit based on FPGA,the system has the ability to synchronous sample the array signal,the road number of which is reach up to 128.With the use of 88E1111 as the net PHY chip,the system can use the user datagram protocol(UDP)to communicate with the upper computer by the gigabit Ethernet, so the large volume can release high-speed transmission.By test,system releases the acquisition and transmission of array signals, the road number of which is reach up to 128.At the same time,the system also have good amplitude-phase consistency,high speed and stability.

array signal data acquisition；FPGA；synchronous sample；UDP

TN919

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.019

國家自然科學(xué)基金（61573128，61273170）

2015-10-12)

李廣志(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：檢測技術(shù)與自動化裝置。

范新南(1965-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：信息獲取與信息處理、智能圖像處理。

張學(xué)武(1973-)，男，博士，教授，主要研究方向：智能圖像處理及應(yīng)用、機器視覺及視覺認知計算。

中文引用格式：李廣志，周卓赟，謝昱勃，等.基于FPGA的陣列信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(2)：71-73，77.

英文引用格式：Li Guangzhi，Zhou Zhuoyun，Xie Yubo，et al.Data acquisition system for array signal based on FPGA[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：71-73，77.