基于FPGA技術的多路并行通信信號采集系統

趙飛燕 藺勇

摘 要： 為解決傳統通信信號采集系統信號采集強度低的問題，設計了基于FPGA技術的多路并行通信信號采集系統。對多路并行通信信號采集模擬電路進行優化，降低信號采集過程中受到的干擾。結合模糊規則原理對多路通信信號采集流程進行簡化處理；利用十字交叉路口信息采集理論設計通信系統相位采集控制，優化通信系統信號采集神經網絡，實現對多路并行的信號采集。實驗結果證實，基于FPGA技術的多路并行通信信號采集系統比傳統系統的采集強度提高了10%以上，從而驗證了系統的有效性。

關鍵字： 自適應控制； 仿真模擬； FPGA技術； 通信頻率； 信號采集； 多相位控制

中圖分類號： TN911?34； U665 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）19?0027?04

Abstract： A multi?channel parallel communication signal acquisition system based on FPGA technology was designed to improve the signal acquisition intensity of the traditional communication signal acquisition system. The analog circuit of the multi?channel parallel communication signal acquisition is optimized to reduce the interference existing in the signal acquisition process. The fuzzy rule principle is combined to simplify the acquisition process of multi?channel communication signal. The intersection information acquisition theory is used to design the phase acquisition control of the communication system， optimize the neural network for signal acquisition of the communication system， and realize the multi?channel parallel signal acquisition. The experimental results show that the signal acquisition intensity of the multi?channel parallel communication signal acquisition system based on FPGA technology is increased by 10% than that of the traditional communication signal acquisition system， which can verify the effectiveness of the proposed system.

Keywords： adaptive control； simulation； FPGA technology； communication frequency； signal acquisition； multi?phase control

0 引 言

通信信號采集系統在信息的傳輸和接收過程中易受到外界因素的干擾，難以保障通信信息的準確采集和傳輸，一旦在多路并行的復雜路段出現通信問題，易造成嚴重的交通擁堵現象，甚至威脅駕駛人員的生命安全。傳統數據采集系統采取單片機來控制主要系統模塊，完成數據信號的采集，該系統速度性能相對較差，難以保障系統運行的實時性[1]。隨著射頻技術、無線通信等技術的快速發展，利用FPGA技術進行信號采集，可有效提高系統的工作速度和效率。因此本文設計基于FPGA技術的多路并行通信信號采集系統，解決當前數據信號采集系統中存在的問題。實驗結果顯示，基于FPGA技術的多路并行通信信號采集系統不僅在性能上優于傳統的單片機控制采集系統，在數據處理方面也十分強大，具有廣闊的應用前景。

1 基于FPGA技術的多路并行通信系統設計

如果在信道中對發送的信息進行有針對性的干擾，就會破壞接收信號的質量，從而導致信息量減少或者中斷，破壞了通信系統傳輸的質量。借助于對被測信號在時域或變換域的特性分析，提高信號利用程度[3]。隨著DSP和FPGA技術的開發取得了飛躍性的發展，本文使用DSP和FPGA技術設計信號采集系統[4]，系統硬件結構框圖如圖1所示。

1.1 模擬電路設計

模擬電路和數字電路是系統硬件電路的兩大組成部分[5]。模擬電路主要對輸入的信號進行放大處理，包括放大器等精密儀器。處理后得到三路輸出信號，其中兩路信號被輸送到數字電路系統作為控制信號，另一路則被送到A/D轉換電路。FPGA（EPF10K20TC144?4）芯片由數字電路集成，由A/D轉換芯片（AD1674）將數據轉換成數字信號后，協調控制信號和各控制模塊[6]。當探測器探測到信號后，將信號傳送到放大電路，通過第一級前置線性放大電路對傳送至放大器的脈沖信號進行放大處理，如圖2所示。

模數電路將模擬量轉換為數字量以達到快速編譯脈沖信號的目的，方便計算機處理[7]。模數轉換電路的設計精度影響著分辨率和轉換精度，因此，轉換速度、轉換精度成為選擇分析器的AID芯片時的主要參數[8]。表1對比了幾種不同的AID芯片參數。

1.2 通信信號采集流程設計

通過模仿人類對模糊信息的表達方式推演出模糊控制算法，利用人的知識累積模糊規則庫數據與模糊化后的參考值進行匹配后，輸出反模糊化數據，該數據表達出的最終決策能達到與人腦類似的邏輯推理。模糊規則庫建立的過程可以比作有經驗的交警有時憑借工作以來積攢的交通指揮經驗來控制紅綠燈的開啟，模糊規則庫就相當于交警的指揮經驗[9]。模糊控制通過計算機與模糊規則庫對比后轉換成可以識別的語言，通過計算代替人做出合理的控制策略[10]。通信信號采集流程如圖3所示。

在交通控制系統中，對接收到的數字信號進行變換等相應的處理[11]。一般情況下，采用普通MCU控制的通信控制系統因為本身指令周期的影響往往運行速度慢，所以采用具有容易編程、運行速度快的FPGA芯片。在信號采集系統的設計中，基于FPGR技術采用兩塊FPGA芯片，分別放置在采集系統的發送端電路以及由A/D轉換器和運算放大器組成的信號接收端電路[12]。

2 實現通信信號采集處理

2.1 通信系統相位采集控制

控制器對整個信號采集系統協調工作起著重要的作用[13]，ADC0809地址選擇器控制每一路通道的采集，然后程序將存儲在RAM中的ADC0809二進制數據進行讀寫模型描述[14]，四相位的十字交叉路口通行示意圖如圖4所示。

在十字路口同時完成兩個方向所用的時間稱之為相位。分析各個相位的交通控制環境對設計交通控制系統顯得尤為重要。在實際交通控制中，一個十字路口通常分為東西南北四個方向的直行和轉向，所以一個十字路口有四種相位。保障系統能夠快速地對通信信號進行采集和識別，在多路并行情況下及時變換信道位置信息，避免外界因素對信息波段產生干擾。因此本文提出多相位控制方法，如圖5所示。

該方法由若干個小的相位程序組成一個大相位程序，并對各個程序任務彼此之間的信息進行交匯處理，完成系統通信信息資源采集和共享工作。系統中任一個小程序都可以跟隨另一個程序任務的執行節拍進行同步信息采集任務，并通過最終的通信機制進行信息傳遞和處理工作。

2.2 通信系統信號采集神經網絡構建

為了實現智能控制，首先對通行車輛進行相關參數的測定。將控制器放在十字路口的中心位置，隨后將車流量檢測器放置在每條路段的入口處，把地感線圈檢測器鋪設在相距100 m左右的每條路面下面。測量當前相位行駛車輛的通過頻率，將其作為是否測量下一相位的依據。根據實時采集的車流量數據對相位的順序進行調整，以適應不同情況下的交通需求。

根據模糊算法的定義，當測得某一相位的車流量較少時，可以減少該相位開啟的時間。為了避免誤檢，保證后面排隊的車輛安全通過，檢測器在相位開啟后10 s才開始工作。當某一相位上車流量較多時，適當延長相位開啟的時間，但是考慮到其他相位上的車輛，所以不能超過預設的最長時間。為了更好地對相位開啟的時間進行控制，設計控制系統神經網絡結構如圖6所示。

基于FPGA設計的交通控制系統計算速度快、穩定性好，完全可以實現對各個相位進行及時的交通調控。能夠快速地采集車流量并及時做出相應的控制策略。為了克服現有交通控制系統的缺點，更好地解決城鎮交通擁堵問題，采用VHDL語言編程設計基于FPGA技術的多路并行通信信號采集系統，同時對設計系統進行Quartus Ⅱ軟件平臺仿真模擬。仿真結果證明，該系統能夠根據車流量的實時變化及時做出相應策略，有效地解決了交通擁堵的問題。系統結構如圖7所示。

3 實驗結果與分析

為滿足系統的功能和技術要求，對系統進行模擬測試。測試結果表明：各個電路模塊系統的各項功能均符合邏輯，系統運行數據處理結果與軟件仿真后的結果一致，可以有效地進行交通控制。仿真結果如圖8所示。

通過對比傳統并行通信信號相位進行檢測，發現利用現代計算機技術對實際交通狀況進行微觀仿真模型研究能更準確地預測交通狀況，該方法對多路并行通信信號的采集強度明顯優于傳統方法，且在信號較多的情況下系統運行相對穩定，信號傳輸過程基本一致，不存在偏差，且比傳統方法節省了50%以上的檢測時間。從仿真的結果來看，所設計的交通控制系統涉及的各項功能都是可行的，控制系統功能已經達到了預期目標。

4 結 語

隨著人們生活質量的提高和經濟的飛速增長，城市車輛擁有量呈現出大幅度上升趨勢，所以近年來交通擁堵問題也越發引起人們關注。交通控制系統是交通系統中的核心，因此本文設計了基于FPGA技術的多路并行通信信號采集系統。該系統可快速采集車輛實時通過頻率，實現了系統和數據源的交換，進而做出相應的控制策略，可以較好地解決交通擁堵問題，具有較高的實用性和廣闊的應用前景。

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