基于FPGA与SRAM数据采集系统设计

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  摘 要:传统的数据采集系统大都是由ARM+DSP实现的,虽然DSP的优势在于数据处理,但是随着FPGA技术的发展,很多FPGA已經可以取代DSP的作用了。尤其是在高速实时的数据采集领域,采集回来的数据速度高,数据处理相对简单(平均处理),使用FPGA构建的数据采集系统能更加快速地对采集的信息进行快速处理。本设计的工程的具体应用背景是光纤通信检测仪,期中数据采集与处理模块有别于传统的MCU架构,采用的是FPGA+SRAM架构,可实现高速数据采集与处理。
  关键词:FPGA SMAM 高速数据采集数据处理
  中图分类号:TP274 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2017)08(c)-0039-02
  FPGA架构的数据采集系统相比较于MCU系统,存在以下工作优势:(1)数据处理及运算速度快;(2)采用并行的数据处理模式,纯硬件化设计不会出现死机或程序跑飞等问题;(3)采样点多也可以抑制测量误差。因此可实现高速实时信号采集与处理。本设计采用的是FPGA+SRAM架构。实现高速数据的采集与运算处理。
  1 系统设计原理
  系统从总体上讲可分为三大部分,分别为信号收发部分、数据处理部分和数据显示部分,如图1所示。
  信号接收模块由以下个不同功能部分构成:脉冲发生器,会产生一个脉冲信号,也就是光脉冲,通过激光二极管,再经由分路器,光纤连接器注入到待测量的光纤中,背向散射和反射信号会在光脉冲的传输过程中产生,光纤不仅可以传输光信号,还可以反射回散射信号,反射回来的光信号通过光分路器的另一路作用于光敏二极管,放大器实现的功能是可以将光敏二极管采集的微弱信号进行放大,A/D转换器实现的功能是将模拟信号转换成数字信号,再将数据输送给信号处理器进行处理[1]。
  数据处理模块主要完成的是对采集信号的算法处理。它不仅可以控制脉冲宽度,并控制两个并行脉冲之间的距离和取样信号。为了改善信号轨迹结果的信噪比,实现数据的多重发送,在数据算法处理上,采用了平均算法因为噪声是随机的,因此,可以通过求得一定距离的数据点把它们加以平均,噪声被平均后无限趋近于零,并且剩下的数据将更准确地反映背向散射和反射程度。
  数据显示模块实现的功能是,将处理后的数据结果通过显示模块显示出来。结果是以波形的形式显示出来的,横坐标表示距离,纵坐标表示功率,通过键盘获得用户要输入的设置信息,并根据这些设置来控制信号的收发和处理。
  2 数据采集系统硬件实现
  本系统的总体设计方案如图1所示,整个方案主要由ARM与FPGA组合构建,系统包括以下功能模块:人机交互模块、AD数据采集模块、由FPGA主控芯片构成的数据处理模块、由ARM构成的数据显示模块。可以通过人机界面向系统输入对应的参数指令。人机交互模块主要可以设置脉冲宽度、采样点数,以及选择发送何种波长的激光。AD数据采集模块、由FPGA主控芯片构成的数据处理模块、完成数据的采集与运算处理,运算处理后的结果存储到SRAM里。数据循环采集,结果累加后再进行平均。完成数据处理后,采用串口发送数据,实现与ARM的通讯与数据显示[1]。整个系统的数据采集部分采用分模块化设计如图2所示。
  FPGA采用在PS方式下,DCLK表示配置时钟,FPGA主控芯片大都内部都自带时钟源,也可为外部时钟源提供的时钟,配置数据用DATA表示,nCONFIG为配置命令,主要功能为配置控制状态的输入;器件复位时低电平有效。DATA是配置数据,FPGA接收配置时钟、配置命令和配置数据,给出配置的状态信号以及配置完成指示信号[3]。
  3 数据分析与总结
  数据处理模块主要完成的是对采集信号的算法处理。它不仅可以控制脉冲宽度,并控制两个并行脉冲之间的距离和取样信号。为了改善信号轨迹结果的信噪比,实现数据的多重发送,在数据算法处理上,采用了平均算法因为噪声是随机的,通过求得一定距离的数据点把它们加以平均,噪声被平均后无限趋近于零,并且剩下的数据将更准确的反映背向散射和反射程度。
  参考文献
  [1] 牛琨.基于ARM的OTDR系统及其应用软件设计[D].天津大学,2008.
  [2] 张恺.基于ARM的OTDR控制系统的构建[D].天津大学,2007.
  [3] 张新慧,彭丽芳,陈宗军,等.利用重复采样技术提高OTDR中ADC量化精度[J].山东理工大学学报:自然科学版,2002,16(4):34-37.
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