基于FPGA與SRAM數據采集系統設計

江麗++肖思其

摘 要：傳統的數據采集系統大都是由ARM+DSP實現的，雖然DSP的優勢在于數據處理，但是隨著FPGA技術的發展，很多FPGA已經可以取代DSP的作用了。尤其是在高速實時的數據采集領域，采集回來的數據速度高，數據處理相對簡單（平均處理），使用FPGA構建的數據采集系統能更加快速地對采集的信息進行快速處理。本設計的工程的具體應用背景是光纖通信檢測儀，期中數據采集與處理模塊有別于傳統的MCU架構，采用的是FPGA+SRAM架構，可實現高速數據采集與處理。

關鍵詞：FPGA SMAM 高速數據采集數據處理

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）08（c）-0039-02

FPGA架構的數據采集系統相比較于MCU系統，存在以下工作優勢：（1）數據處理及運算速度快；（2）采用并行的數據處理模式，純硬件化設計不會出現死機或程序跑飛等問題；（3）采樣點多也可以抑制測量誤差。因此可實現高速實時信號采集與處理。本設計采用的是FPGA+SRAM架構。實現高速數據的采集與運算處理。

1 系統設計原理

系統從總體上講可分為三大部分，分別為信號收發部分、數據處理部分和數據顯示部分，如圖1所示。

信號接收模塊由以下個不同功能部分構成：脈沖發生器，會產生一個脈沖信號，也就是光脈沖，通過激光二極管，再經由分路器，光纖連接器注入到待測量的光纖中，背向散射和反射信號會在光脈沖的傳輸過程中產生，光纖不僅可以傳輸光信號，還可以反射回散射信號，反射回來的光信號通過光分路器的另一路作用于光敏二極管，放大器實現的功能是可以將光敏二極管采集的微弱信號進行放大，A/D轉換器實現的功能是將模擬信號轉換成數字信號，再將數據輸送給信號處理器進行處理[1]。

數據處理模塊主要完成的是對采集信號的算法處理。它不僅可以控制脈沖寬度，并控制兩個并行脈沖之間的距離和取樣信號。為了改善信號軌跡結果的信噪比，實現數據的多重發送，在數據算法處理上，采用了平均算法因為噪聲是隨機的，因此，可以通過求得一定距離的數據點把它們加以平均，噪聲被平均后無限趨近于零，并且剩下的數據將更準確地反映背向散射和反射程度。

數據顯示模塊實現的功能是，將處理后的數據結果通過顯示模塊顯示出來。結果是以波形的形式顯示出來的，橫坐標表示距離，縱坐標表示功率，通過鍵盤獲得用戶要輸入的設置信息，并根據這些設置來控制信號的收發和處理。

2 數據采集系統硬件實現

本系統的總體設計方案如圖1所示，整個方案主要由ARM與FPGA組合構建，系統包括以下功能模塊：人機交互模塊、AD數據采集模塊、由FPGA主控芯片構成的數據處理模塊、由ARM構成的數據顯示模塊。可以通過人機界面向系統輸入對應的參數指令。人機交互模塊主要可以設置脈沖寬度、采樣點數，以及選擇發送何種波長的激光。AD數據采集模塊、由FPGA主控芯片構成的數據處理模塊、完成數據的采集與運算處理，運算處理后的結果存儲到SRAM里。數據循環采集，結果累加后再進行平均。完成數據處理后，采用串口發送數據，實現與ARM的通訊與數據顯示[1]。整個系統的數據采集部分采用分模塊化設計如圖2所示。

FPGA采用在PS方式下，DCLK表示配置時鐘，FPGA主控芯片大都內部都自帶時鐘源，也可為外部時鐘源提供的時鐘，配置數據用DATA表示，nCONFIG為配置命令，主要功能為配置控制狀態的輸入；器件復位時低電平有效。DATA是配置數據，FPGA接收配置時鐘、配置命令和配置數據，給出配置的狀態信號以及配置完成指示信號[3]。

3 數據分析與總結

數據處理模塊主要完成的是對采集信號的算法處理。它不僅可以控制脈沖寬度，并控制兩個并行脈沖之間的距離和取樣信號。為了改善信號軌跡結果的信噪比，實現數據的多重發送，在數據算法處理上，采用了平均算法因為噪聲是隨機的，通過求得一定距離的數據點把它們加以平均，噪聲被平均后無限趨近于零，并且剩下的數據將更準確的反映背向散射和反射程度。

參考文獻

[1] 牛琨.基于ARM的OTDR系統及其應用軟件設計[D].天津大學，2008.

[2] 張愷.基于ARM的OTDR控制系統的構建[D].天津大學，2007.

[3] 張新慧，彭麗芳，陳宗軍，等.利用重復采樣技術提高OTDR中ADC量化精度[J].山東理工大學學報：自然科學版，2002，16（4）：34-37.endprint