基于FPGA的高速數據處理系統設計

劉 吉，楊德偉，李立京，劉超，高廣林

（北京航空航天大學 光電子技術研究所，北京 100191）

隨著光纖傳感技術的發展，光纖傳感器已成功應用于周界入侵探測等安全防范領域。目前，已經應用于光纖微擾動傳感器或相似系統的數據處理方案比較多，有DSP[1]、FPGA[2]、FPGA+DSP[3]、labview[4]等多種方案。 但是目前 的解決方案大多是對信號進行前期處理，實現PGC解調或者是濾波等功能，僅僅對實驗方案進行驗證，擾動判別和定位等工作需要上傳到PC機上進行。

然而，PC機不是專用的數據處理器，與專用數據處理器相比，PC機體積大、功耗大、處理速度慢。而且在通常的實時信號處理中，專業處理芯片外圍電路比較少，一般來說一塊電路板就可以完成所需功能，功耗大大減少，而且相比PC機龐大的體積，可以使系統更緊湊，節約空間。FPGA由于其高度的并行和靈活的配置特性，以高速、實時、低成本、高靈活性的優點應用于數字信號處理領域。本文敘述了采用FPGA實現光纖微擾動傳感器的數據處理的具體方案，提供了一種高速實時數據處理方法。本系統的主要工作是通過基于FPGA的嵌入式系統，實現數據采集、數據存儲、LCD顯示、USB數據傳輸和數據處理，完成光纖微擾動傳感的擾動識別和定位功能。

1 系統結構和硬件設計

1.1 系統結構

光纖微擾動傳感器采用馬赫-澤德/馬赫-澤德 （M-Z/MZ）混合干涉儀方案作為傳感方案。而馬赫-澤德/馬赫-澤德混合干涉儀方案是通過測量兩路光信號到達測量端的時間差來確定擾動位置的一種方案。根據傳感方案的特點，本系統應該先將所得的光信號轉換為數字化信號，然后再對信號進行處理，所以根據系統的特點，系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖Fig.1 Hardware framework of system

從結構框圖中可以看出系統由以數據處理核心，光電轉換、模數轉換、LCD顯示、數據存儲和USB通信等外圍功能模塊構造而成。由于光纖微擾動傳感器的傳感采用的是光纖，所以首先需要將信號經過光電轉換和A/D轉換，將信號轉換為適于FPGA處理的數字信號。然后，在FPGA中進行數據處理，判斷接收信號是否是入侵行為。如果存在入侵行為，則同時將采集到的信號存入存儲器，并在LCD上顯示入侵位置；如果沒有入侵行為，則在LCD上顯示正常，采集到的數據釋放。USB通信模塊只在系統和PC機相連的時候，將存儲器中數據上傳到PC機中。

1.2 系統硬件設計

馬赫－澤德/馬赫－澤德混合干涉儀方案將擾動位置求解問題就轉化為測量兩路信號到達測量端的時間差，因此求擾動點的位置的問題轉換為求兩路信號的時間延遲估計問題。對于時間延遲估計問題，目前大多采用相關檢測方法計算。系統采用相關檢測算法，需要進行大量互相關計算。互相關計算的具體實現是由大量的乘法和加法組成的，所以對數據處理速度要求很高。計算量很大，不過比較適合并行計算。系統的數據處理部分采用的是XC4VSX25，Virtex－4 SX系列是Virtex－4平臺中專門為了高性能數字信號處理 （DSP）應用解決方案而設計的。XC4VSX25中含有128個XtremeDSP Slice，而每個 XtremeDSPTMSlice包含1個 18×18位帶補數功能的有符號乘法器、加法器邏輯和1個 48位累加器。每個乘法器或累加器都能獨立使用[5]。

XC4VSX25中含有多個XtremeDSPTMSlice，而且FPGA中的XtremeDSPTMSlice可通過IP核的形式方便地調用。同時XtremeDSPTMSlice中每個乘法器或累加器都能獨立使用，在XC4VSX25中可方便地將乘法器和累加器組合，構成所需要的數據處理結構，所以采用XC4VSX25為系統的數據處理器。

光電轉換部分采用PINFET，是目前比較通用的光電轉換器件。模數轉換模塊采用的是12位雙通道差分輸入SAR型AD7356，結構簡單實用。大容量存儲模塊采用SUMSUNG公司具有200 μs的頁寫速度的1 GB容量K9K8G08U0M型Flash，可以滿足系統的實時性，并能夠存儲較長時間的擾動信號。LCD模塊采用的是3.3 V單電源供電的320×240大屏幕點陣液晶ZXM320240E1，有足夠的空間將多路的情況同時顯示在屏幕上，而且由于系統選用FPGA的管腳電壓為3.3 V，可以避免電平轉換，電路簡潔。USB通信模塊采用的是集成了8051單片機的CY7C68013A型USB控制器。

其中A/D轉換部分由于系統要求16路，每路12位1～5 M采樣速率，并且由于系統的擾動定位算法采用相關檢測法，是對時間延遲進行檢測，因此需要在A/D轉換的過程盡量減小因為轉換而帶來的時間延遲誤差。選用12位雙通道差分輸入SAR型AD7356，該A/D為雙通道型，所以兩路信號的轉換是同時進行，減小了因轉換帶來的時間延遲。而且AD7356的采樣頻率由輸入時鐘信號決定，因此可以很方便的改變系統的采樣頻率，滿足系統1～5 M的采樣速率要求。

另外，比較各A/D轉換器的復雜程度發現多通道（4路或以上）A/D由于其設計的多功能性，導致結構復雜，使用比較繁瑣，而AD7356采用16引腳的TSSOP封裝，外圍電路簡單。另外該A/D采用單2.5 V供電，可與FPGA共用電源，使系統的供電系統簡潔。而高速A/D轉換器的輸入是差分式，如圖2所示，使用AD8138單端至差分轉換驅動AD7357的差分輸入。

圖2 A/D轉換模塊電路圖Fig.2 Circuit diagram of A/D convert module

系統中有模擬地和數字地之分，同時A/D轉換器由于其特殊性，處于模擬地和數字地之間，所以對于AD7357的管腳連接應注意。AD7357的REFA和REFB管腳需要通過10 μF的退耦電容連接到REFGND管腳，而REFGND管腳則需要連接到AGND管腳。而A/D轉換器要求AGND和DGND之間的電平相差不能超過0.3 V，所以需要將AGND和DGND連接起來。為了避免模擬電路和數字電路之間的干擾，一般情況需要對地分割，但是本系統有多個A/D轉換器，所以使用統一地，通過對器件合理擺放來減小模擬和數字電路間的干擾。

2 數據處理設計

2.1 數據處理結構

本系統的數據處理結構如圖3所示，首先是采集一定長度的信號存儲到雙口RAM中，然后經過擾動識別決定是否需要進行擾動定位計算。由于擾動識別和定位計算需要將采集到的數據保存到數據處理完畢，所以FPGA中的雙口RAM要有足夠的空間，在數據處理的同時繼續存儲采集到的數據。而在工作時，由于采用了高速的AD7356，最高采樣速率可以達到5 M/s，所以要求擾動識別和定位計算速度足夠快。

圖3 數據處理結構Fig.3 Framework of signal process

擾動識別部分由于采用的是平方后積分并與閾值比較的模式，屬于順序計算，耗時不多，數據處理耗時的主要部分是擾動定位計算。擾動定位計算采用的是相關計算，其所消耗的時間在計算速度固定時，由數據長度L和相關長度（移位次數）n決定。進行一次相關計算的計算量為Ln次乘法和（L-1）n 次加法。

圖4 多個XtremeDSPTMSlice并行結構Fig.4 Parallel structure of multi-XtremeDSPTMSlices

在FPGA數據處理方面，當資源成本為主要制約時，根據速度要求，采用串行結構實現或DA結構實現；當速度成為主要制約時，則根據資源成本因素，采用并行結構實現或DA結構實現[6]。而DA結構主要是通過對資源合理的利用來減小資源的空閑時間，從而提高系統的速度。但是對于本系統，在計算過程中各資源幾乎是在全速運行，DA結構并不能提高系統的速度，所以需通過并行結構（圖4）來提高系統運行速度。通過圖4可以看出，如果采用串行結構，整個相關計算由1個XtremeDSPTMSlice（或者1個單核處理器）完成，每完成一次互相關運算，整個數據段移位一次，共移位n次。因此為了及時處理采集到的數據，串行結構的計算速度至少是采集速度的n倍 （根據傳感長度不同，n最大可達2 500）。而AD7356最高采樣速率可以達到5 M/s，因此計算速度過快，單個XtremeDSPTMSlice不可能完成。而如果采用s個XtremeDSPTMSlice并行結構，則一次互相關計算相當于串行結構時的s次互相關計算，而本來需要移位n次完成的計算，現在只需要m（圖4中變量m=n/s）次移位，每次移位s，即可完成。因此，每個XtremeDSPTMSlice的計算速度為采集速度的m倍，可以有效減少對計算速度的要求。

2.2 仿真實驗結果

為了比較串行結構和并行結構的計算速度，在Xilinx 7.1 ISE平臺中（Virtex-4器件的最低版本要求），選用Virtex-4系列的XC4VSX25器件，用Verilog HDL語言設計串行結構和并行結構，并在ModelSim中對兩種結構進行仿真比較。由于仿真時間長度的限制，采用5位128長度的三角波模擬采集到數據，并將XtremeDSP?Slice的計算速率設定在250 M/s，仿真波形結果如圖5所示。

圖5 串行結構和并行結構仿真比較Fig.5 Simulation cornparison of serial structure and parallel structure

從圖5中可看出，采用串行結構，計算耗時約為15.8 ms，而采用4個XtremeDSPTMSlice的并行計算結構，計算耗時約為4.2 ms。從仿真結果的比較可知，串行結構耗時約為并行結構的4倍。因此，在本系統中并型結構的計算速度是正比于并行度的，這與理論上并行計算可以成倍減少計算時間的分析一致。

3 結束語

通過以XC4VSX25為核心的嵌入式系統，實現數據采集、數據存儲、LCD顯示、USB數據傳輸和數據處理，完成光纖微擾動傳感的擾動識別和定位功能，具有高速、實時、低成本、高靈活性的優點。本系統利用系統內特有的硬件結構XtremeDSPTMSlice實現高效高速的數據處理，同時在ISE軟件中XtremeDSPTMSlice以IP核形式使用，無需自己構造乘法器和加法器，既節省了大量FPGA資源又大大減少開發難度。通過仿真比較可以看出，本系統中并型結構的計算速度是正比于并行度的，因此可以通過提高并行度來提高系統的計算速度，滿足高速實時的數據處理要求。

[1] Bush J， Davis C， Davis P， et al.Buried fiber intrusion detection sensor with minimal false alarm rates， Proc.SPIE，vol.3489[R].Canada， Van Nuys:Optiphase， Inc.， 1998.

[2] 楊繼英.基于FPGA的干涉型光纖水聽器信號解調方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2007:22-34.

[3] 藍天，張春熹，李立京，等.基于FPGA和DSP的全數字PGC解調系統設計[J].電子測量技術， 2008， 31（3）:173-175.LAN Tian，ZHANG Chun-xi， LI Li-jing， et al.Design of digital PGC demodulation system based on FPGA and DSP[J].Electronical Measurement Technology， 2008， 31 （3）:173-175.

[4] Sun Q， Liu D， Wang J，et al.A novel distributed sensor using long-distance mach-zehnder interferometer[J].Optics Communications ， 2008（281）:1538-1544.

[5] Xilinx inc.XtremeDSP for Virtex-4 FPGAs[EB/OL].（2004）[2008 -5 -15]. http://www.xilinx.com/bvdocs/userguides/ug073.pdf.

[6] 劉慶良，盧榮軍，李建清.FIR濾波器的FPGA實現[J].電子設計工程， 2010，18（3）:59-61.LIU Qing-liang， LU Rong-jun， LI Jian-qing.Research of FIR digital filter implementation with FPGA[J].Electronic Design Engineeering 2010，18（3）:59-61.