文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)03-0077-03
近年來，數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及科學研究中的重要地位日益突出，對數(shù)據(jù)采集的速率和采集通道數(shù)的提出了更高的要求[1]。隨著采樣頻率和采樣通道數(shù)的增加，如何快速有效地將大量采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚碓O備成為一個嚴峻的問題。特別是當處理設備和數(shù)據(jù)采集設備之間的距離較遠時，這個問題顯得尤為突出。對于一個8通道、12位精度、20 MHz采樣頻率的系統(tǒng),所需的傳輸速率為1 920 Mb/s。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡多采用基于PCI、USB總線接口，這些接口擴展性差、結構復雜、傳輸速率和傳輸距離有限，使得其不適合在上述系統(tǒng)下使用。而光纖通信具有傳輸速率快，傳輸距離遠、抗干擾能力強等優(yōu)點，能夠很好解決上述問題。
1 系統(tǒng)的設計
本系統(tǒng)以FPGA芯片為控制核心[2-3]，控制A/D對8路模擬通道進行20 MHz采樣,采樣的精度為12位，將采集的數(shù)據(jù)實時地發(fā)送到接收板上處理。
如果采樣頻率和數(shù)據(jù)發(fā)送頻率都是20 MHz，則總共需要8路光端機才能將每路信號轉化為光信號傳輸出去，然后在接收端通過8路光端機將光信號還原為電信號，傳給處理設備。這樣的系統(tǒng)顯然將十分復雜，實現(xiàn)起來非常困難。為此，本文設計基于時分復用的數(shù)據(jù)傳輸方式，提高了數(shù)據(jù)傳送效率，有效地將8路光端機減少到3路。
為了實現(xiàn)時分復用，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送端將A/D采集到的96 bit數(shù)據(jù)分成3組，設為A、B、C三組，每組32 bit。每組在第N個數(shù)據(jù)發(fā)送時鐘上升沿控制A/D采集96 bit數(shù)據(jù),在第N個發(fā)送時鐘下降沿發(fā)送每組32 bit數(shù)據(jù)中的前16 bit數(shù)據(jù)，在第N+1個發(fā)送時鐘下降沿發(fā)送每組32 bit數(shù)據(jù)中后16 bit數(shù)據(jù)。重復以上操作，就可以實現(xiàn)分時復用的數(shù)據(jù)傳輸方式。數(shù)據(jù)發(fā)送部分的時鐘為A/D采樣時鐘的兩倍,保證所有A/D采集到的數(shù)據(jù)都能傳輸出去。
在系統(tǒng)的接收端，執(zhí)行與發(fā)送端相反的操作。接收端對接收到的數(shù)據(jù)做解復用操作,把96位數(shù)據(jù)還原出來。最終設計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集發(fā)送和接收硬件框圖如圖1和圖2所示。
2 硬件電路的實現(xiàn)
2.1 采樣電路
數(shù)據(jù)采集是整個系統(tǒng)的核心功能之一。系統(tǒng)使用ADI公司的高速數(shù)據(jù)轉換器AD9235。AD9235的模擬輸入端采用的是差分信號，選擇差分輸入信號，能夠提高A/D輸出的信噪比[4]。電路如圖3所示。而信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號是單端信號，需要將其先轉換為差分信號再采樣。使用ADI公司的AD8138芯片完成信號的單端轉差分工作。AD8138具有帶寬大、使用簡單的優(yōu)點，支持單電源供電，是單端轉差分信號的理想選擇[5]。電路如圖4所示。
2.2 串并轉換電路
串并轉換芯片使用的是TI公司的TLK1501，它具有16 bit發(fā)送/接收數(shù)據(jù)接口，內(nèi)部能夠完成串并/并串轉化和8B/10B編碼功能[6-7]。
之所以在光端機前面加一個串并轉換芯片TLK1501，是因為每個光纖通道同一時刻只能傳輸一位數(shù)據(jù)。16 bit并行數(shù)據(jù)必須先經(jīng)過并串轉換，才能通過光纖逐位傳輸出去。同時，接收端為了能夠將接收到的串行數(shù)據(jù)流恢復，需要從串行數(shù)據(jù)流中提取到同步時鐘信號，而對于一般的串行數(shù)據(jù)流這是很難完成的。但是如果串行數(shù)據(jù)流采用某種編碼方式使得1和0出現(xiàn)的次數(shù)差不多，提取同步時鐘信號就會變得簡單得多。8 B/10 B編碼即是滿足這一要求的編碼方式。
2.3 光收發(fā)模塊電路
本系統(tǒng)使用1X9 1.25 Gb/s的光收發(fā)模塊實現(xiàn)光電轉換，它具有體積小，功耗低等優(yōu)點。接口電路如圖5所示。
光收發(fā)模塊電路必須要注意以下問題：
(1)TLK1501輸出的串行數(shù)據(jù)流為CML電平，而光收發(fā)模塊的輸入信號只支持LVPECL/PECL電平。需要一個電阻網(wǎng)絡將CML電平轉換到LVPECL電平。(2)由于串行數(shù)據(jù)流的速率高達640 Mb/s,必須要注意信號的完整性問題。(3)光收發(fā)模塊對電源噪聲敏感，電源需要充分去耦。
3 FPGA軟件的實現(xiàn)和系統(tǒng)測試
3.1 FPGA程序模塊
FPGA的程序由Verilog語言編寫,整個系統(tǒng)分為PLL模塊、時鐘控制模塊、發(fā)送控制模塊及接收數(shù)據(jù)模塊。發(fā)送數(shù)據(jù)模塊負責TLK1501控制、數(shù)據(jù)復用功能。接收數(shù)據(jù)模塊負責TLK1501控制、數(shù)據(jù)解復用功能。
發(fā)送數(shù)據(jù)模塊如圖6所示。
3.2 TLK1501控制要點
根據(jù)TLK1501芯片手冊，TLK1501在正常傳輸數(shù)據(jù)前，需要首先進行同步操作，同步可以通過發(fā)送同步碼的方式實現(xiàn)。保持發(fā)送板TLK1501的TX_EN、TX_ER管腳電平為0、0，發(fā)送同步碼。此時如果接收板正確接收數(shù)據(jù)， TLK1501接收端的RX_ER、RX_DV管腳電平也應該為0、0。
當收發(fā)同步做好后，就可以進行正常的數(shù)據(jù)傳輸了。此時保持發(fā)送板TX_EN、TX_ER為1、0，將需要發(fā)送數(shù)據(jù)寫入TXD端。接收板如果正確接收數(shù)據(jù)，RX_DV、RX_ER也應該為1、0，RXD輸出的就是接收到的數(shù)據(jù)。
3.3 系統(tǒng)測試
對每一光纖通道分別進行測試。發(fā)送模塊通過FPGA控制A/D按照20 MHz的頻率采樣輸入信號，將采集的數(shù)據(jù)傳輸給TLK1501。數(shù)據(jù)經(jīng)過8 B/10 B編碼、并串轉換、電光轉換，最后通過光纖發(fā)送出去。使用QuartusII自帶的邏輯分析儀得到發(fā)送時序圖如圖7所示，其中TXD為復用后的發(fā)送波形。
接收模塊通過數(shù)據(jù)，通過光電轉換、串并轉換、8 B/10 B解碼，還原出A/D的采樣數(shù)據(jù)。接收時序圖如圖8所示。RXD為接收的復用波形，dat1(正弦波)和dat2(鋸齒波)為解復用后得到的兩路信號。
基于光纖傳輸?shù)?a class="innerlink" href="http://www.shi-ke.cn/tags/高速數(shù)據(jù)采集" title="高速數(shù)據(jù)采集" target="_blank">高速數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，運行穩(wěn)定，三路的總數(shù)據(jù)傳輸速率達到了1 920 Mb/s，并且這個速率還能進一步提高。使用光纖對數(shù)據(jù)進行傳輸可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩黾訑?shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，減少系統(tǒng)復雜度，特別適合復雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集和傳輸，具有十分重要的實用價值。
參考文獻
[1] 王瑋，馮永茂，丁鐵夫.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)傳輸芯片控制器設計[M]. 電子器件,2008(3):845-848.
[2] 王金明.數(shù)字系統(tǒng)設計與Verilog HDL[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2009.
[3] CycloneII Device Handbook[M]. Altera Corporation,2005.
[4] Analog Device Inc. AD9235 data sheet[EB].http://www.analog.com/zh/analog-to-digital-converters/ad- converters/ad9235/products/product.html,2004.
[5] Analog Device Inc.AD8138 data sheet[EB]. http://www.analog.com/zh/all-operational-amplifiers-op-amps/operational-amplifiers-op-amps/ad8138/products/product.html，2006.
[6] Texas Instruments.TLK1501 data sheet[EB].http://www.ti.com.cn/product/cn/tlk1501，2003.
[7] Texas Instruments. TLK1501應用指南[EB].http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/zhca077/zhca077.pdf,2010.