基于FPGA和以太網數據采集系統的設計與實現分析

彭會斌

(海軍駐連云港七一六研究所軍事代表室,江蘇連云港,222061)

基于FPGA和以太網數據采集系統的設計與實現分析

彭會斌

(海軍駐連云港七一六研究所軍事代表室,江蘇連云港,222061)

現階段，氣體傳感器發展速度極快，對近紅外可調諧二極管激光吸收光譜技術的研究也更加深入。而氣體傳感器也被廣泛地應用在實踐運用過程中，比較常見的就是車載與機載環境，一定程度上提高了空間分辨率，能夠對數據進行連續且實時采集與分析。

FPGA；以太網；數據采集系統；設計；實現

1 數據采集系統整體設計研究

基于FPGA與以太網數據采集系統整體設計可以由圖1表示。根據圖1內容可以發現，當吸收峰出現前會給出觸發信號。而數據采集系統的觸發信號上升沿出現的情況下，將兩路AD啟動，進而采集兩路的模擬信號，在完成轉換以后，會進入到FPGA，并針對數據信息予以及時處理和計算。隨后會進入到FIFO緩沖當中，而在對固定點數數據進行采集的過程中，FPGA就會停止對數據的接收，而隨之會等待下次觸發信號出現。如果FIFO緩沖數據處于半滿的狀態，需要將數據取出并加入UDP協議。最后，通過MAC這一途徑，對PHY予以合理運行，以保證數據信息及時傳送至上位機。若置觸發信號仍然有效，則應當關閉計數的功能，以保證連續且實時地采集兩路的信號。

圖1 數據采集處理系統

其中，FPGA是系統核心，而在設計過程中所使用的FPGA型號為。該FPGA具備了10kbit的邏輯單元、外部存儲器的接口電路、存儲器與乘法器等等類型的FPGA能夠降低功耗，節省成本，使其自身性能得以全面提升，最終促進了FPGA應用的領域。另外，AD器件所選擇的型號為ADS8326。與此同時，以太網收發器選用型號是，具有明顯的集成性。

2 AD驅動和數據處理模塊分析

在AD驅動實際運行的過程中，一旦CS信號有下降沿的情況，那么必須要保證DCLOCK是低電平。與此同時，應確保CS下降沿和DCLOCK上升沿之間的距離不低于20納秒。當在CS信號出現下降沿的時候，會經由五個DCLOCK 采樣以后，在第七個DCLOCK時出現上升沿，而AD驅動則會由最高位串行輸出數據，在完成相應轉換以后，再次通過若干DCLOCKPower Down，隨后即可實現下一轉換。在系統內部，已經嵌入32位處理器，進而能夠將原有的兩路的串行信號有效地轉變為，形成一路并行信號。在這種情況下，能夠進一步推動數據傳輸的處理。基于此，需要針對轉換以后的并行信號數據進行計數，以確保觸發控制更加準確。但是，由于32位并行信號要進入到FIFO緩沖當中，所以，一定要為FIFO提供必要的時鐘信號與使能信號。該系統主要對VerilogHDL硬件語言進行了運用，對AD驅動與處理模塊進行了編寫。

3 SOPC模塊設計分析

針對SOPC開發環境而言，可以有效地加入處理器與IP核，包括用戶邏輯等等。基于此，通過對Avalon總線的運用，能夠有效連接模塊，進而根據地址進行訪問，適當地添加中斷。其中，處理器十分靈活且IP核十分豐富，使得系統設計得以有效簡化，節省了大部分成本，使實際開發的時間得以有效縮短。其中，該模塊當中的硬件主要有處理器與存儲器，另外還包括了MAC模塊與通用IO等等。

其中，Nios Ⅱ處理器的內核所使用的是RISC的處理器，有32位，具備了共享性的指令集結構，最重要的是已經根據FPGA展開了全面優化。另外，處理器主要的作用就是處理數據以及網絡協議。

MAC，也被稱為介質訪問控制層，主要的任務就是對物理層物理介質進行有效控制及鏈接。其中，MAC模塊對于Triple?Speed EthernetIP核進行了有效地調動，而在實現發動與接收的過程中所采用的就是接口。在這種情況下，用戶只要利用這一接口，就可以讀寫并操作MAC內部所接收和發送FIFO。而MAC是通外部PHY進行連接的，與此同時，此模塊能夠提供MDIOMDC 接口，有效地管理PHY。

4 數據采集系統的軟件設計分析

基于NiosⅡIDE這一集成開發環境，能夠通過C語言，優化設計NiosⅡ處理器這一軟件。其中，各模塊需要初始化，而此時上位機會將已經采集完成的控制信號發送出來，隨后，系統開啟信號采集模式。與此同時，數據處理模塊會把經過處理以后的32位數據傳送至異步FIFO當中。一旦其處于半滿狀態，就會立即中斷，并且取出數據內容，加入到UDP協議當中。最后，將Scatter?Gather DMA啟動，以保證及時把數據內容傳送至MAC當中。

而UDP協議無法開展反饋測試，所以，其可靠性并不明顯，仍然要有其他措施發揮輔助作用，確保傳輸更加可靠。然而，因為UDP不會創建與撤銷連接，也不會確認報文等，所以，能夠全面增強數據傳輸本身的高效性以及實時性。在該系統設計過程中，以太網傳輸協議主要選用了UDPIP 協議。

5 數據采集系統的測試分析

在完成數據采集系統設計工作后，一定要通過實際測試對系統的可行性進行驗證。該系統在以太網接口的作用下，能夠把數據及時傳輸到上位機，而PC機則能夠編寫程序，實時存儲并顯示數據內容。

其中，連續實時采集模式主要是通過函數信號發生器形成10K正弦波，進而將其當作輸入信號。充分利用采樣定理，系統能夠對正弦信號進行全面修復，且實際采集的圖像和預期效果之間是一致的。

對于觸發采集開啟的功能而言，主要是對函數信號發生器進行合理地運用，有效地提供正弦與方波信號，將其當作測試信號。而這兩種信號頻率是相同的，且相位差固定。通過對Wireshark 網絡抓包工具進行運用，深入分析數據包，測試的時間、數據幀等都同100赫茲觸發頻率是一致的，實驗的結果和預期相同。

6 結束語

綜上所述，通過對FPGA與以太網這兩種技術的結合運用，對數據采集系統進行了有效地設計，不僅對采集系統觸發采集問題進行了解決，同時，對通用以太網接口傳輸數據進行了合理地運用。通過系統的測試，表明該系統能夠滿足200赫茲雙路觸發采集的目的，所以，系統設計具有一定的合理性。

[1]任慧建,殷興輝.基于FPGA的高速線陣CCD圖像采集系統[J].電子測量技術,2014,37(11):33-36,51.

[2]王浩,李磊,楊潔等.基于以太網傳輸的高速32通道數據采集系統[J].核科學與工程,2015,35(4):780-784.

[3]湯奧.基于PCI-E接口數據采集系統FPGA設計與實現[D].華中科技大學,2011.

Design and implementation of data acquisition system based on FPGA and Ethernet

Peng Huibin
(Military representative office, Naval Research Institute, Lianyungang 716,Lianyungang Jiangsu,222061)

at the present stage, the development of gas sensor is very fast, and the research of near infrared tunable diode laser absorption spectroscopy is more in-depth. The gas sensor is also widely applied in the practical application process, the more common is the vehicle borne and airborne environment, to a certain extent to improve the spatial resolution, can be continuous and real-time collection and analysis of data.

FPGA; Ethernet; data acquisition system; design; implementation