基于FPGA的多路開關(guān)量和模擬量實時光纖遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

高波 胡建楠

【摘要】本設(shè)計是基于FPGA硬件平臺進行多路開關(guān)量和模擬量實時光纖遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了32路開關(guān)量和8路模擬量通過光纖，以100Mbps的速度進行雙全工傳輸?shù)墓δ埽撓到y(tǒng)具有實時性、抗干擾性、靈活性等特點。

【關(guān)鍵詞】FPGA;光纖傳輸;編解碼;開關(guān)量;模擬量

1.引言

目前，隨著工業(yè)系統(tǒng)的不斷擴大，多路的開關(guān)量和模擬量需要遠(yuǎn)傳的需求越來越大，并且對實時性和抗干擾性要求也越來越高。如果采用單片機或ARM實現(xiàn)多路傳輸功能，都有路數(shù)少，不能實時傳輸?shù)热秉c。而FPGA的I/O引腳數(shù)量大，處理效率高，能夠滿足多路開關(guān)量和模擬量實時的傳輸，并且在FPGA中實現(xiàn)編解碼效率非常高，所以本系統(tǒng)采用基于FPGA進行設(shè)計。本系統(tǒng)采用ACTEL Proasic3系列FPGA芯片，以Libero IDE為軟件開發(fā)環(huán)境對系統(tǒng)平臺進行控制和處理。

2.光纖遠(yuǎn)傳系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計

2.1 光纖遠(yuǎn)傳系統(tǒng)硬件平臺的總體構(gòu)架

該光纖遠(yuǎn)傳系統(tǒng)硬件平臺分為模擬量采集、模擬量輸出、開關(guān)量采集、開關(guān)量輸出和通信控制傳輸五個部分。

本系統(tǒng)的基本構(gòu)架：將32路9～24V的開關(guān)量信號通過開關(guān)量采集模塊轉(zhuǎn)換成5VTTL電平輸出到通信控制傳輸模塊;8路0～10V模擬量信號通過模擬量采集模塊進行采集，通過SPI總線輸出到通信控制傳輸模塊。通信控制傳輸模塊由ACTEL Proasic3的FPGA芯片作為控制處理器，將接收到的開關(guān)量數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進行編碼通過光纖的方式進行傳輸，同時，通信控制傳輸模塊也可以將接收到的數(shù)據(jù)信息進行解碼，將解碼完成的開關(guān)量通過開關(guān)量輸出模塊進行輸出，模擬量通過SPI總線發(fā)送到模擬量輸出模塊中進行輸出。系統(tǒng)硬件平臺總體構(gòu)架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件平臺總體構(gòu)架圖

2.2 模擬量采集和輸出硬件構(gòu)架

模擬量采集模塊是基于AD7792為核心進行設(shè)計的，AD7792集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，16為分辨率，均方根噪聲為40nV，并且具有SPI、QSPI、MICROWIRE串行接口，適合應(yīng)用于低功耗、低噪聲的環(huán)境[1]。在模擬量采集模塊中，采用ADR441ARMZ作為AD7792的電壓基準(zhǔn);采用ADG5409作為控制前端4路模擬量輸入的時序。

模擬量采集模塊完成了8路0～10V電壓信號或者0～20mA電流信號的采集，并通過SPI總線將采集到的結(jié)果發(fā)送到FPGA中，其中采集的順序由FPGA控制。AD7792周圍電路如圖2所示。

模擬量輸出模塊式基于AD5412為核心進行設(shè)計的，AD5412是低成本、精密、完全集成、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），內(nèi)置可編程電流源和可編程電壓輸出，設(shè)計用于滿足工業(yè)過程控制應(yīng)用的需要。其輸出可通過編程設(shè)置為電流0mA至20mA、0mA至24mA和電壓0V至10V、±5V或±10V輸出范圍，具有SPI、QSPI、MICROWIRE串行接口[2]。

模擬量輸出模塊完成了8路0～10V電壓信號或者0～20mA電流信號的輸出。AD5412周圍電路如圖3所示。

2.3 開關(guān)量采集和輸出硬件構(gòu)架

開關(guān)量采集模塊采用TLP521光耦隔離模塊，TLP521使前端與負(fù)載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設(shè)計。本模塊用于對9～24V的開關(guān)量信號輸入可進行隔離輸出5VTTL電壓，直接將輸出的開關(guān)電壓信號輸入到FPGA上，其原理如圖4所示。

開關(guān)量輸出模塊設(shè)計主要采用了ULN2803芯片和24V繼電器。ULN2803是是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅NPN達林頓管組成。本模塊將FPGA輸出的5VTTL電平開關(guān)信號通過ULN2803驅(qū)動24V繼電器，最終將24V開關(guān)信號對外輸出。其原理如圖5所示。

2.4 通信傳輸控制硬件構(gòu)架

通信傳輸控制模塊是基于ACTEL Proasic3的FPGA芯片為核心設(shè)計的。通過SPI總線，采用連續(xù)讀寫方式和中值濾波，分別對模擬量采集模塊和模擬量輸出模塊控制;通過對I/O引腳進行防抖動處理的讀取和輸出，分別對開關(guān)量采集模塊和開關(guān)量輸出模塊控制;通過采用LVPECL差分信號轉(zhuǎn)換為光纖信號傳輸方式，兩個通信傳輸控制模塊進行雙全工通信，通過組包、解碼和編碼方式，將采集到的模擬量和開關(guān)量的信息進行傳輸和接收。

3.光纖遠(yuǎn)傳系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計

光纖遠(yuǎn)傳系統(tǒng)軟件平臺主要采用了8B/10B完美編解碼、（2，2，3）卷積碼編碼、Viterbi最大似然估計硬解碼算法處理，主要提高了系統(tǒng)的抗干擾性，其設(shè)計流程圖如圖6所示。

3.1 8B/10B編解碼

在光纖傳輸協(xié)議的終端采用給了8B/10B編解碼，主要是由于8B/10B編碼保證了1和0的相對平衡組合，而與數(shù)據(jù)值無關(guān)，簡化了時鐘恢復(fù)，降低了接收機成本。編碼提供的其它位還促進了誤碼檢測。8B/10B編碼提供了構(gòu)建串行通信使用的一套基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和控制字符[3]。其主要功能如下：

（1）轉(zhuǎn)換密度：保證數(shù)據(jù)流中有足夠的信號轉(zhuǎn)換。采用8B/10B編碼方法，數(shù)據(jù)流中連續(xù)的“1”或連續(xù)的“0”不超過5個，使接收端鎖相環(huán)（PLL）能正常工作，避免接收端時鐘漂移或同步丟失而引起數(shù)據(jù)丟失。

（2）DC補償：在高速的數(shù)據(jù)傳輸線路中，一般采用差分信號，需要直流分量盡量小，而8B/10B有DC補償功能，即鏈路中不會隨著時間推移而出現(xiàn)DC偏移。

（3）檢錯：8B/10B編碼采用冗余方式，將8位的數(shù)據(jù)和一些特殊字符按照特定的規(guī)則編碼成10位的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些規(guī)則，能檢測出傳輸過程中發(fā)生錯誤的信息。

（4）特殊字符：8B/10B編碼規(guī)定了一些特殊字符，可用作幀同步字符和其他的分隔符或控制字符。

3.2 卷積碼和Viterbi譯碼

本設(shè)計采用了卷積編碼和Viterbi譯碼，在通信方面上極大的提高了可靠性和穩(wěn)定性。

卷積碼將k個信息比特編成n個比特，但k和n通常很小，特別適合以串行形式進行傳輸，時延小。實現(xiàn)方式是與前m個前相關(guān)狀態(tài)的沖擊響應(yīng)做卷積計算。

若以（n，k，m）來描述卷積碼，其中k為每次輸入到卷積編碼器的bit數(shù)，n為每個k元組碼字對應(yīng)的卷積碼輸出n元組碼字，m為編碼存儲度，也就是卷積編碼器的k元組的級數(shù)，稱m+1= K為編碼約束度m稱為約束長度。卷積碼將k元組輸入碼元編成n元組輸出碼元，但k和n通常很小，特別適合以串行形式進行傳輸，時延小。與分組碼不同，卷積碼編碼生成的n元組元不僅與當(dāng)前輸入的k元組有關(guān)，還與前面m-1個輸入的k元組有關(guān)，編碼過程中互相關(guān)聯(lián)的碼元個數(shù)為n*m。卷積碼的糾錯性能隨m的增加而增大，而差錯率隨N的增加而指數(shù)下降。本設(shè)計采用（2，2，3）卷積碼[3]。

Viterbi譯碼是一種對無記憶信道卷積碼進行譯碼的算法。它充分發(fā)揮了卷積碼的特點，因而自Viterbi算法提出以來，無論在理論上還是在實踐上都得到了極其迅速的發(fā)展，并廣泛的應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，特別是無線通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。本設(shè)計選擇似然概率函數(shù)的對數(shù)作為似然函數(shù)，硬判決的最大似然譯碼實際上是尋找與接收序列Hamming距離最小的編碼序列。

4.光纖遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的驗證

多路開關(guān)遠(yuǎn)傳模塊可實現(xiàn)全雙工同步、異步實時傳輸32路開關(guān)量、8路模擬量，速度為100M/bit，開關(guān)量響應(yīng)時間最大為2us，通過加入高斯噪聲，同步誤碼率為0.00013%，糾碼率為0.00005%，異步誤碼率為0.017%，糾碼率為0.02%，信道冗余度為0.25。AD模塊和DA模塊實現(xiàn)了工業(yè)隔離本安的8路AD轉(zhuǎn)換和8路DA轉(zhuǎn)換功能，可實現(xiàn)0-10V電壓和0-20MA電流的傳輸，電壓精度大于0.1%，電流精度大于0.01%，更新速度為9ms。

5.結(jié)論

本系統(tǒng)是基于FPGA對8路模擬信號和32路開關(guān)信號進行傳輸和控制，具有很好的靈活性、高精度、實時性和抗干擾性，并且電路全部符合本安要求，在工業(yè)系統(tǒng)中可以得到很好的應(yīng)用。

參考文獻

[1]Analog.AD7792_7793.pdf.2009-4.

[2]Analog.AD5412_5413.pdf.2007-3.

[3]http：//www.actel.com/documents/5192650-0.pdf.2004-1.

[4]張立軍等.數(shù)字通信（第四版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：1-345.

作者簡介：高波（1968—），男，山西太原人，工程師，主要從事煤礦自動化控制與通訊的研究工作。