0 引言

    在航天、雷達(dá)、通信等領(lǐng)域都需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理，而數(shù)據(jù)采集與傳輸是數(shù)據(jù)處理的前提。但是隨著數(shù)據(jù)采集精度的不斷提高，龐大的數(shù)據(jù)量導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸面臨巨大壓力。傳統(tǒng)并行數(shù)據(jù)傳輸模式傳輸速率已經(jīng)不能滿足高速采集領(lǐng)域的傳輸需求，串行傳輸技術(shù)不僅克服了輸出速率不足的問題，而且不存在高速傳輸并行信號(hào)的偏移問題，可以顯著提高通信系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸效果^[1]。目前常用的LVDS串行傳輸方式傳輸速度僅有數(shù)百兆比特，與此同時(shí)LVDS差分走線對(duì)PCB設(shè)計(jì)要求較高^[2]。而光纖傳輸具有傳輸頻帶寬、通信容量大、抗干擾能力強(qiáng)、布板簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)^[3]。傳統(tǒng)單路光纖傳輸速率很難超過5 Gb/s，基于此本系統(tǒng)通過兩路光纖增加帶寬，提高傳輸速率。

    基于以上分析，本文設(shè)計(jì)了一種高速數(shù)據(jù)采集與光纖傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)采用FPGA實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA器件兼有可編程性和高速I/O的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以滿足串行傳輸協(xié)議及演變進(jìn)化的需求，已成為實(shí)現(xiàn)串行接口應(yīng)用的理想平臺(tái)^[4]。

1 方案設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)采集與光纖傳輸系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由電源模塊、8路AD9226采集電路模塊、可編程時(shí)鐘電路模塊、FPGA主控模塊、SFP光電轉(zhuǎn)換模塊等部分組成。電源模塊主要完成系統(tǒng)供電，AD9226采集電路實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，可編程時(shí)鐘電路實(shí)現(xiàn)不同頻率時(shí)鐘產(chǎn)生，F(xiàn)PGA主控模塊完成各個(gè)模塊時(shí)序產(chǎn)生，SFP光電轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)光纖傳輸。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 主要硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 FPGA控制模塊

    系統(tǒng)采用Xilinx公司的Virtex-6 FPGA作為主控芯片，Virtex-6 FPGA是Xilinx較新一代高性能FPGA，內(nèi)部集成多個(gè)吉比特高速收發(fā)器，支持多種IP核，在高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域表現(xiàn)比較出色^[4]。FPGA控制模塊主要實(shí)現(xiàn)8路A/D采集模塊工作時(shí)序生成、可編程時(shí)鐘電路控制、高速光纖通信以及外部觸發(fā)信號(hào)判別。

2.2 A/D采集模塊

    A/D采集模塊采用了8片ADI公司的AD9226芯片，該芯片是一種單通道、12 bit、65 MS/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可采用單端輸入或差分輸入^[5]。AD9226內(nèi)部可提供1 V和2 V兩種基準(zhǔn)電壓源，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)采用2 V基準(zhǔn)電壓。由于AD9226電壓輸入范圍為1.0 V～3.0 V，為了擴(kuò)大電壓采集范圍，使系統(tǒng)電壓范圍可以達(dá)到-5 V~+5 V，利用運(yùn)算放大器AD8065在AD9226前端設(shè)計(jì)了一個(gè)衰減電路。根據(jù)滿足采集電壓范圍的要求，衰減電路需要滿足：

其中V_in為輸入電壓值，V_out為輸出電壓值。A/D轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號(hào)只需按式(1)反向運(yùn)算即可得到輸入電壓的真實(shí)數(shù)值。單路A/D采集電路如圖2所示。

2．3 光纖通信模塊

    本系統(tǒng)中AD9226為12 bit ADC，8路ADC采集到的數(shù)據(jù)為96 bit。為了保證數(shù)據(jù)正確傳輸，與上位機(jī)協(xié)議將A/D采集數(shù)據(jù)進(jìn)行編幀。設(shè)置16 bit幀頭EB90，16 bit幀尾146F，8路A/D采集數(shù)據(jù)按照上位機(jī)編碼協(xié)議打包成一個(gè)128 bit的數(shù)據(jù)幀。本設(shè)計(jì)中AD9226最高采樣率設(shè)置為60 MHz，8路A/D采集電路最高數(shù)據(jù)速率達(dá)5.76 Gb/s，整個(gè)系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)速率達(dá)7.68 Gb/s。為了滿足整個(gè)系統(tǒng)傳輸速率的要求，采用了基于Aurora協(xié)議的光纖傳輸方案。Aurora協(xié)議是Xilinx公司開發(fā)的一種支持多路光纖傳輸，且具備信道初始化與時(shí)鐘矯正等功能的高速串并轉(zhuǎn)換協(xié)議^[6]。針對(duì)不同應(yīng)用的需求，Aurora協(xié)議可支持流（Streaming）和幀（Framing）兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，以及全雙工、單工數(shù)據(jù)通信方式^[6]。Aurora 8b/10b IP核結(jié)構(gòu)框圖如圖3^[7]所示。

    本設(shè)計(jì)中Aurora IP核數(shù)據(jù)接口數(shù)據(jù)寬度配置為8 B，參考時(shí)鐘配置為200 MHz，配置兩路光纖鏈路，光纖鏈路速率配置為5 Gb/s，采用全雙工，幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在Aurora IP核數(shù)據(jù)接收模塊與A/D采集控制模塊之間添加一個(gè)數(shù)據(jù)接收FIFO達(dá)到數(shù)據(jù)位數(shù)匹配。在Aurora IP核數(shù)據(jù)發(fā)送模塊與A/D采集控制模塊之間添加一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO達(dá)到數(shù)據(jù)速率匹配和數(shù)據(jù)緩存的目的。

3 數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)

    數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)主要包括可編程時(shí)鐘電路配置模塊、AD9226數(shù)據(jù)采集電路控制模塊、外部觸發(fā)模塊，以及基于Aurora協(xié)議的光纖收發(fā)模塊的控制設(shè)計(jì)。其中可編程時(shí)鐘電路主要是通過SPI總線配置寄存器產(chǎn)生不同頻率時(shí)鐘信號(hào)，將不同頻率的時(shí)鐘提供給8路AD9226數(shù)據(jù)采集電路實(shí)現(xiàn)不同采樣率下的信號(hào)采集，完成對(duì)AD9226數(shù)據(jù)采集電路的控制。

3.1 外部觸發(fā)模塊

    在數(shù)據(jù)采集過程中，為了達(dá)到某種特定條件再開始采集，需要在系統(tǒng)下發(fā)開始采集命令后，由被采集信號(hào)控制具體開始采集時(shí)刻，為了滿足這些需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了外部邊沿觸發(fā)和門控觸發(fā)模式。上位機(jī)下發(fā)等待觸發(fā)以及觸發(fā)類型命令后，硬件電路首先判斷是否需要外部觸發(fā)，其次判斷觸發(fā)類型。當(dāng)觸發(fā)類型為外部邊沿觸發(fā)時(shí)，第一個(gè)外部脈沖上升沿到來時(shí)觸發(fā)系統(tǒng)開始采集，下一個(gè)外部脈沖上升沿到來時(shí)觸發(fā)系統(tǒng)停止采集；當(dāng)觸發(fā)類型為外部門控觸發(fā)時(shí)，外部脈沖為高電平時(shí)開始采集，為低電平時(shí)停止采集。如果不等待外部觸發(fā)，則直接觸發(fā)電路開始采集。邊沿觸發(fā)示意圖如圖4所示，門控觸發(fā)示意圖如圖5所示。

3.2 基于Aurora協(xié)議的光纖收發(fā)模塊

    系統(tǒng)上電后光纖傳輸鏈路首先進(jìn)行初始化，然后信號(hào)Channel_up和Lane_up[1:0]拉高，準(zhǔn)備開始接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)完成初始化。初始化后等待接收上位機(jī)命令，并按照上位機(jī)通信協(xié)議解析命令。

    系統(tǒng)接收到上位機(jī)命令后，開始解析命令，首先按照上位機(jī)下發(fā)的采樣率參數(shù)，配置可編程時(shí)鐘電路產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的時(shí)鐘。可編程時(shí)鐘電路配置完成后判斷觸發(fā)模式，如果為外部觸發(fā)，判斷外部觸發(fā)方式等待觸發(fā)，否則直接開始采集。在數(shù)據(jù)采集過程中如果收到停止命令，或者外部觸發(fā)停止，則系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)，停止采集。程序流程圖如圖6所示。

3.2.1 光纖數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

    光纖數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要用于將數(shù)據(jù)按照Aurora協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀（Framing）格式發(fā)送。本系統(tǒng)中發(fā)送模塊主要設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)包幀頭標(biāo)志TX_DATA_SOF、數(shù)據(jù)包幀尾標(biāo)志TX_DATA_EOF、數(shù)據(jù)有效信號(hào)TX_DATA_Vaild，以及要發(fā)送的數(shù)據(jù)TX_DATA。其中TX_DATA_SOF為低時(shí)表示幀頭有效，TX_DATA_EOF為低時(shí)表示幀尾有效，TX_DATA_Vaild為低代表數(shù)據(jù)有效^[7]。具體傳輸時(shí)序如圖7所示。

3.2.2 光纖數(shù)據(jù)接收模塊  

    光纖數(shù)據(jù)接收模塊主要實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)接收。與數(shù)據(jù)發(fā)送模塊類似，在數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)中主要按照Aurora協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀格式接收數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)包幀頭標(biāo)志為RX_DATA_SOF，數(shù)據(jù)包幀尾標(biāo)志為RX_DATA_EOF，數(shù)據(jù)有效信號(hào)為RX_DATA_Vaild，要發(fā)送的數(shù)據(jù)為RX_DATA。RX_DATA_SOF為低時(shí)表示幀頭有效，RX_DATA_EOF為低時(shí)表示幀尾有效， RX_DATA_Vaild為低代表數(shù)據(jù)有效[7]。具體傳輸時(shí)序如圖8所示。

4 測(cè)試結(jié)果

    為了直觀測(cè)試采集系統(tǒng)測(cè)量精度，實(shí)驗(yàn)中8路A/D分別采集8種不同電壓值，將采集數(shù)據(jù)按照幀格式上傳至上位機(jī)，電壓采集測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖9所示。

    上位機(jī)收到數(shù)據(jù)以后，按照協(xié)議解析數(shù)據(jù)將多次測(cè)量數(shù)據(jù)取平均按式(1)反向計(jì)算就得到真實(shí)測(cè)量值，結(jié)果如表1所示。

    由表1觀察得到，系統(tǒng)采集到的電壓值最大誤差為0.08%，最小誤差0%，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證采集系統(tǒng)的采樣率，利用安捷倫信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生了8種幅度不同頻率相同的的正弦波。通過上位機(jī)配置AD9226采集電路，以60 MHz采樣率對(duì)模擬信號(hào)采樣，將采樣數(shù)據(jù)利用上位機(jī)軟件分析，分析結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出8路A/D采集可以同時(shí)以60 MHz采樣率進(jìn)行采樣，正弦波波形連續(xù)說明傳輸系統(tǒng)沒有丟數(shù)，正弦波波形光滑說明系統(tǒng)傳輸也沒有出現(xiàn)誤碼，證明系統(tǒng)可以以60 MHz采樣率工作，而且光纖傳輸速率可以滿足7.68 Gb/s的要求。由此進(jìn)一步證明了采集系統(tǒng)的可靠性。

5 總結(jié)

    本文介紹了一種以高速數(shù)據(jù)采集與光纖傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。經(jīng)過測(cè)試證明，系統(tǒng)每通道采樣速率為60 MHz，最大傳輸速率7.68 Gb/s。目前，本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某型高速數(shù)據(jù)記錄儀，該記錄儀在多種測(cè)試條件下都表現(xiàn)出良好的測(cè)試效果。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于其他高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域。

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