基于FPGA和光纤通信的数据采集系统设计.doc

基于FPGA和光纤通信的数据采集系统设计.doc

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清华大学2012届毕业设计说明书

1绪论

1.1本课题的研究背景及意义

数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。

数据采集技术广泛引用在各个领域,比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具[1]。

被采集数据是已被转换为电信号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。

采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期）对同一信号再次采集，经过采样、转换的信号称为“数据”。

采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。

准确的数据量测是数据采集的基础。

数据采集含义很广，包括对面状连续物理量的采集。

在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据，随着雷达、通信以及工业测试等领域中数字信号处理技术的快速发展，数据采集在速度及精度上均提出了更高的要求[2]。

FPGA是一种具有丰富的可编程I/O引脚的可编程逻辑器件。

具有时钟频率高，内部时延小，运行速度快，组成形式灵活的特点，并能够控制较为复杂的外围器件[3]。

可以解决电路系统小型化、低功耗、高可靠性过程中遇到的问题，因此FPGA成为目前高性能数据采集系统主要使用的控制芯片[4]。

随着信息化步伐逐渐加快，光纤通信技术已成为现代通信的重要支柱，光纤通信具有传输损耗低、传输频带宽、速率高、重量轻、体积小和抗电磁干扰等优点，光纤传输损耗几乎比同轴电缆和波导低三个数量级，并且在整个频段内其损耗对于任何调制信号都相同，因此光纤成为一种理想信号传输媒介[5]。

本文所设计的数据采集系统综合应用了以上两种技术集合两者的优点，在处理数据时使用高性能的FPGA，同时在传输获取的数据上采用光纤传输，提出基于光纤通信的多通道数据采集系统，该课题的研究既有十分广泛的意义。

1.2本课题国内外研究现状

数据采集和处理系统的控制芯片在不停发展和进步，从原来的单一的单片机发展到数字处理芯片DSP，嵌入式芯片等更高速、高性能的芯片。

在高性能数据采集系统中，我们通常采用单片机或DSP做为整个系统的CPU，来控制AD模数转换、存储器以及其他一些外围电路的工作[6]。

基于单片机和DSP而设计的数据采集系统都有一定的不足：

（1）单片机的时钟频率较低，需要软件支持来实现其功能，软件的运行时间在整个采样时间中占据很大的比例，效率较低，很难适应高速、高精度数据的采集系统的要求。

（2）DSP的虽然运算速度快而且擅长处理密集的乘加运算，但是它对外围的复杂硬件进行逻辑控制的功能较差。

然而FPGA（现场可编程门阵列）有着单片机和DSP无法比拟的优势。

FPGA的时钟频率高，内部时延小；全部的控制逻辑都可由硬件完成，速度快，效率高，适于大数据量的高速传输控制；FPGA的组成形式灵活，而且可集成外围控制、译码和接口等各种电路[7]。

随着信息化步伐逐渐加快，光纤通信技术已成为现代通信的重要支柱，在现代电信网中起着举足轻重的作用。

光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。

光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有三四十年，已经历三代，短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤、采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信，中国光纤通信已进入普及阶段。

光通讯是通讯发展的必然方向，光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术[8]。

通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频作为载频已达通信载波频率的上限，光是一种频率极高的电磁波，因此用光作为载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，光通信是人们早就追求的目标，也是通信发展的必然方向。

对光纤通信而言，超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标，未来的高速通信网将是全光网，全光网是光纤通信技术发展的最高阶段，也是理想阶段。

传统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络结点处仍采用电器件，限制了目前通信网干线总容量的进一步提高，因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题。

全光网络也是人们不懈追求的梦想[9]。

1．3本课题的主要工作及论文的组织结构

本论文主要研究基于FPGA和光纤通信的数据采集系统，论文的主要内容是：

（1）数据采集系统的基本理论研究；

（2）提出了基于光纤通信多通道的数据采集系统总体设计方案及完成外围的硬件电路设计；

（3）完成FPGA内部模块设计即软件设计；

（4）对系统相关模块进行仿真并给出仿真结果。

本文共分五章，第一章绪论中概述了数据采集系统的用途和意义。

第二章阐述了数据采集系统的理论知识中信号采样、模数转换、光纤通信等基本理论。

第三章提出了基于FPGA的数据采集系统的总体设计方案及完成对外围的硬件电路设计。

第四章完成软件设计并进行仿真。

最后在第五章结束语中，对本文进行了总结和展望。

2系统相关理论

2.1数据采集的基本概念

数据采集就是将被测对象的各种参量（可以是物理量，也可以是化学量、生物量等）通过各种传感器做适当转换后，再经电路对信号进行调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理和存储记录的过程[10]。

这里所用的控制器一般是计算机系统。

随着计算机技术的不断发展和普及，模拟设备越来越多的被数字设备所取代，在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。

但是大部分的信息都是以连续变化量的形式出现的，例如温度、位移、速度、压力等。

要想用计算机将这些信息进行处理，就必须首先将这些连续的物理量进行离散化，并进行量化、编码，从而变成数字量，这过程就是数据采集。

它是计算机在监测、管理和控制一个系统的过程中，取得原始数据的主要手段。

数据采集系统的任务，具体地说，就是将采集传感器输出的模拟信号通过一定的处理并能够转换成计算机识别的数字信号，即AD模数转换，转换后的数字信息最后送入计算机，由计算机根据不同的需要进行相应的计算和处理。

与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。

图2．1是一个模拟信号的数据采集系统框图。

图2.1模拟信号数据采集系统框图

模拟信号通过信号调理电路，将传感器产生微弱的模拟信号进行滤波放大处理，把信号放大到与A/D转换器满量程电压相应的电平值，以便充分利用A／D转换器的分辨率。

然后A／D模数转换电路将放大后的模拟信号转换为计算机能够识别的数字信号，A／D转换后的数据信息一般不能直接传送到计算机，所以在读入计算机或其他处理设备之前应该增加数据存储模块，这样能有利于将数据连续的送入计算机。

通过时序逻辑控制电路可以控制信号调理、A/D模数转换器、数据存储等单元，并实现与计算机的通信。

2．2采样定理及频混的产生和抑制

在数据的采样中过程所应遵循的规律，称为采样定理。

采样定理说明采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据，是数据采集的理论基础。

若连续信号是有限带宽的，其频谱的最高频率为，对抽样时，若保证抽样频率：

那么，可由恢复出，即保留了的全部信息。

通常把最低允许的抽样率。

称为“Nyquist频率”。

采样定理严格地规定了采样时间间隔的上限，即。

如果取的太大，使互时，那么将会发生中的高频成分被叠加到低频成分上去的现象，这种现象称之为频混。

不产生频混现象的临界条件是。

或者说当采样间隔一定时，不发生频混的信号最高频率。

信号中能够相互混淆的频率为：

（式2.1）

式中为能相互混淆的频率。

为了减少频混现象，通常可以采用抗混叠滤波器，过采样两种方法。

2．3A／D模数转换

A／D模数转换是数据采集的主要任务和关键步骤，A／D转换的好坏直接关系到数据采集的精度和质量。

所谓A／D模数转换，就是将传感器输出的模拟信号转换成计算机能够识别的数字信号。

在ADC器件中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一些列选定的瞬间对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换成输出的数字。

图2.2是A/D转换框图。

图2．2A／D模数转换框图

其过程可包括为四个步骤：

采样，保持，量化和编码，首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，然后编码。

按照一定的编码格式给出转换结果。

然后再开始下一次取样。

采样就是是对模拟信号在时问上进行离散的过程。

数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。

就是说，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。

在进行A/D转换时，必须把取样电压表示为这个最小单位的整数倍。

这个转化过程叫做量化，所取的最小数量单位叫做量化单位，用△表示。

显然，数字信号最低有效位（LSB）的1所代表的数量大小就等于△。

把量化的结果用代码可以是二进制，也可以是其他进制表示出来，称为编码，这些代码就是转换的结果。

2.4光纤通信原理

2.4.1光纤通信系统结构

光纤通信与以往的电气通信相比，主要区别在于有很多优点：

它传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长，线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用，绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在特殊环境或军事上使用。

光纤通信是以光波为载波，以光纤为传输介质的一种传输方式。

光纤通信于其他有线通信方式原理基本相同，只要差别有二：

（1）是把光频段电磁波作为载波；

（2）是把光纤作为传输信号线。

正是这两点的差异，实现了大容量通信技术的突破。

光纤通信系统利用半导体激光器（LD）作为光源，产生光载波，由来自信源的数字信号（电信号）进行调制，形成调制的光信号并将耦合进光纤中传输；在接收端使用光检测器（如PIN光电二极管或雪崩光电二极管）将光信号进行解调，获取数字信号[11]。

光纤通信系统主要由发送机、接收机和信道三部分组成，如图2.4所示。

来自信源的信息有发送机将其转换为适合在信道上传输的光信号，光纤构成的信道把光信号有发送及传送至接收机，接收机从信道中提取信息并转换为最终形态，由信宿输出。

信源的作用是把非电形态的的信息转换为电形态的的信息，把非电信号转换为电信号。

最常见的信源是把声波转换成电流信号的麦克风和将图像转化成电流信号的视频摄像机，在任何情况下，无论是电通信海华丝光纤通信系统，信息传输之前必须是电形态的。

发送机的作用是将来自信息源的电信号转换成适合在光纤传输中的光信号，它由调制器、载波源、和信道耦合器组成。

信道是指发送机和接收机之间的传输的路径，在光纤通信系统中，光纤就是信道。

而接收机的作用是将来自信道的光信号解调，得到的信源信息的再现，送入信宿。

接收机由光检测器、放大器和信号处理器组成。

信宿实质是光纤通信系统的信息的输出装置[12]。

图2.4光纤通信系统结构示意图

2.4.2光纤传输系统中线路码的选择要求

在数字光纤传输系统中，