论文部分内容阅读
【摘 要】光纤通信是信息化的主要技术之一，同时也是二十一世纪重要的战略产业。在高速数据采集系统中应用光纤通信网络，可提高数据采集能力。本文则对光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用进行详细分析。
【关键词】高速数据采集系统 光纤通信网络 应用
所谓光纤通信，就是以光纤为传输介质，以光波为载波传输光信息至相应数据处理端。第一代光纤材料就是0.85μm多模光纤。由于现代科学技术的迅猛发展，材料与技术也随之以较快的速度更新换代着，相继开发出第二、三、四、五代光纤产品。通过光波复用手段能够有效提高数据采集及传输速率，且放大光波能够有效实现传输距离的增长。在测量工程中，采集瞬态信号会被经常应用到，通常需要检测设备能够与高速数据采集要求相满足，并确保被测信号范围一定。本研究主要对光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用进行分析与探讨。
一、光纤通信网络
光纤通信网络与高速数据采集模块共同组成高速数据采集系统，高速数据采集模块的主要作用是高速采集数据，光纤通信网络的主要作用是将所采集的相关数据信息及时向上位机传输。在采样多路通信分布中，所有采集模块都包括8组通道，且所有通道都能够完成AD数据（32位）的转换及采集，达到4mSPS的速度，达到80mB/s的总数据量。数据高速传输，需要有比较大的总线传输容量，而且还必须保证外界噪声不会影响到该系统。在高速数据采集系统中应用光纤通信网络，不仅可以满足高宽带之需，而且还可以与光纤信号不会被外界噪声影响的特点相符合，最终能够完成数据采集及传输。
光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用优势主要包括：a.光波传输容量比较大、频率比较高；b.具有良好保密性，不会受到电磁的干扰；c.信号不轻易衰减，具有较长中继距离；d.低廉、丰富的光纤材料来源，能够节省很多有色金属，光纤材料重量轻、直径小，且具有良好的可挠性，随着现代通信网络的扩充、建设及提速，对光纤材料的需求也随之不断增长。
二、光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用
（一）高速采集模块
将Atme ga168芯片应用于系统主控制器中，时钟时序由CPLD产生，实现对高速数据的控制及采集，数据采集模块具体方案见图1。高速数据采集系统运行原理为：通过传感器将模拟量信号中携带的物理量信息进行电压量的转化，再通过ADC转换模块以数字电压量代替模拟电压量，进而实施数据的采集、存储、传输及处理。有CPLD和AVR共同控制完成高速数据采集系统，对所采集出来的模拟信号实施模数转换后，在FIFO中缓存结果，再在FLASH陈列中进行转存与保存。整个系统工作中，FIFO既具有缓存作用，能够还使A/D对相关数据位数进行转换的匹配问题得到了全面解决，有效调整了和FLASH存储器中所包含的数据线位数。
图1 高速数据采集模块方案
（二）控制程序的设计
在高速数据采集系统中，编程采集功能的实现，选用两条通道实施时钟分析，如果控制信号属于低电平状态，触发采集，引脚工作，8路数据通道存储所采集的数据，EOC电平逐渐下降。在数据采集的整个过程中，所有通道都具有相同的工作原理，最终都是在存储区中存入所采集的数据。
以此为基础，在CPLD中载入相关程序，系统性调试电路，同时实施8个通道的数据转换及控制，所产生出来的波形见图2，由此可见，1、3、4、5四路将8个连续脉冲分别产生出来，且具有准确的时序位置，即：控制器可以同时对8路信号进行采集与控制，不会发生时序或者逻辑方面的错误。因此，光纤通信网络应用于高速数据采集系统中的采集程序可以与设计要求相满足，依照所采集的脉冲宽度，能够将系统采集速度最高值为10mb/s计算出来。采用电光调制将所采集的数字信号进行成光信号的转换，并于光纤通信网络中实施加载，再采用光纤通信网络将所采集的数据传输至高速数据主控制系统中。
图2 8路高速数据采集波形图
（三）外接存储器的设计
光纤通信网络在通过光的形式与模块相接入后，其数据速率要比FPGA数据处理能力高很多，为能够实现无误、实时的传输信号，所以设计外接存储体是极为有必要的。多类存储器在市场中有多种，其中主要包括DDRSDRAM（双倍速率）、SDRAM（同步动态随机存储器）、VCM（虚拟通信存储器）、DRDRAM（动态接口随机存储器）等，根据光纤通信具有高速率、大数据量等特征，再与总体硬件设计相结合，该系统对DDRSDRAM进行了选用。
DDRSDRAM通过双倍速率结构增加对所采集数据进行高速读取的能力，数据此双倍速率结构中的所有时钟周期都会实施着读写操作，达到双倍数据读写速度效果。此外，控制命令、数据及地址被寄存在不同的时钟跳沿，所以DDRSDRAM必须极为精准的对时钟进行判断。为与该要求相满足，时钟信号于DDRSDRAM中通过双端差动实施数据传输，即CK#与CK.在CK变高、CK#变低的情况下，会有是CK上跳沿的认识，而如果CK变低、CK#变高的情况下，会有时钟CK下跳沿的认识[2]。时钟CK上跳沿对控制命令与地址予以寄存，可将所采集的数据进行高、低划分，并分别存储在时钟上下跳沿。
DDR SDRAM在高速数据采集系统中的工作原理见图3。与系统中数据存储容量要求与处理速度相结合，选用现阶段技术比较成熟的HY5DU（L）T芯片。这种芯片有着32MB的容量，16位的数据总线宽度，芯片在最佳状态下的数据吞吐率最大值为2×16×166 M=5.312Gb/s。由此可见，DDRSDRAM芯片并不能解决光纤信号网络速率在10Gb/s时所存在的数据存储问题。此外，因为系统设计很难满足DDRSDRAM芯片速率最高值，所以，为确保外部存储器余量充足，通过4片芯片并联模式能够有效提升数据吞吐力，使其达到21.248Gb/s。
图3 DDR SDRAM在系统中的工作原理图
三、系统测试
在对基于光纤通信网络的高速数据采集系统进行性能测试时，需要通过对已知信号进行采集，并将信后存储后，对比已知信号，最终完成测试。具体测试步骤为：通过光通信协议仪将特殊信号发送出去，达到9.953Gb/s的信号速率，15520字节的帧长，为便于分析信号，需要对信号帧同步码设置成“F6 F6 F6 28 28 28”的序列，将0设置在帧头剩余部位，将5设置在帧内剩余部位。避免对信号实施直接扰码与传输。在对光信号接收后，系统应该实施光电降速与转换处理，由系统中的FPGA对数据及时钟实施接收，对其相应处理后转入外部存储器实施缓存。数据存满外部存储器后，可暂停采集数据，根据顺序对外部存储器数据实施重新读取，在计算机系统中送入千兆以太网接口实施统计对比分析。试验结果得出数据帧同步码，即：“F6 F6 F6 28 28 28”，这些同步码后有若干个0，所有净荷均是常数5。试验结果显示，发送特定数据和接收数据相同。此外，为对系统误码率进行测试，将固定数据转换为伪随机码以做信号净荷，结果显示误码率在10～12以下。
四、结束语
基于光纤通信网络对一种高速数据采集系统进行了设计，通过多路数据采集方式，并与光纤通信网络相结合，使得高速数据采集能力得到大幅提高，通过试验对8路通道在高速采集下数据采集结果进行分析，结果显示，高速数据采集系统能够多通道高速采集数据，通过光纤通信网络能够对系统上机位完成数据的采集与最终传传输工作。
参考文献：
[1]张伯超.基于光纤通信网络高速数据采集系统的设计[J].科技创新导报，2013，（10）：44.
[2]马宁，殷洪华，朱婧等.光纤通信在数控网络中的故障次数分析[J].数字技术与应用，2013，（3）：63.
[3]刘哲.多业务光纤分布系统在住宅小区网络覆盖中的应用[J].无线互联科技 ，2013，（8）：182-183.
【关键词】高速数据采集系统 光纤通信网络 应用
所谓光纤通信，就是以光纤为传输介质，以光波为载波传输光信息至相应数据处理端。第一代光纤材料就是0.85μm多模光纤。由于现代科学技术的迅猛发展，材料与技术也随之以较快的速度更新换代着，相继开发出第二、三、四、五代光纤产品。通过光波复用手段能够有效提高数据采集及传输速率，且放大光波能够有效实现传输距离的增长。在测量工程中，采集瞬态信号会被经常应用到，通常需要检测设备能够与高速数据采集要求相满足，并确保被测信号范围一定。本研究主要对光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用进行分析与探讨。
一、光纤通信网络
光纤通信网络与高速数据采集模块共同组成高速数据采集系统，高速数据采集模块的主要作用是高速采集数据，光纤通信网络的主要作用是将所采集的相关数据信息及时向上位机传输。在采样多路通信分布中，所有采集模块都包括8组通道，且所有通道都能够完成AD数据（32位）的转换及采集，达到4mSPS的速度，达到80mB/s的总数据量。数据高速传输，需要有比较大的总线传输容量，而且还必须保证外界噪声不会影响到该系统。在高速数据采集系统中应用光纤通信网络，不仅可以满足高宽带之需，而且还可以与光纤信号不会被外界噪声影响的特点相符合，最终能够完成数据采集及传输。
光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用优势主要包括：a.光波传输容量比较大、频率比较高；b.具有良好保密性，不会受到电磁的干扰；c.信号不轻易衰减，具有较长中继距离；d.低廉、丰富的光纤材料来源，能够节省很多有色金属，光纤材料重量轻、直径小，且具有良好的可挠性，随着现代通信网络的扩充、建设及提速，对光纤材料的需求也随之不断增长。
二、光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用
（一）高速采集模块
将Atme ga168芯片应用于系统主控制器中，时钟时序由CPLD产生，实现对高速数据的控制及采集，数据采集模块具体方案见图1。高速数据采集系统运行原理为：通过传感器将模拟量信号中携带的物理量信息进行电压量的转化，再通过ADC转换模块以数字电压量代替模拟电压量，进而实施数据的采集、存储、传输及处理。有CPLD和AVR共同控制完成高速数据采集系统，对所采集出来的模拟信号实施模数转换后，在FIFO中缓存结果，再在FLASH陈列中进行转存与保存。整个系统工作中，FIFO既具有缓存作用，能够还使A/D对相关数据位数进行转换的匹配问题得到了全面解决，有效调整了和FLASH存储器中所包含的数据线位数。
图1 高速数据采集模块方案
（二）控制程序的设计
在高速数据采集系统中，编程采集功能的实现，选用两条通道实施时钟分析，如果控制信号属于低电平状态，触发采集，引脚工作，8路数据通道存储所采集的数据，EOC电平逐渐下降。在数据采集的整个过程中，所有通道都具有相同的工作原理，最终都是在存储区中存入所采集的数据。
以此为基础，在CPLD中载入相关程序，系统性调试电路，同时实施8个通道的数据转换及控制，所产生出来的波形见图2，由此可见，1、3、4、5四路将8个连续脉冲分别产生出来，且具有准确的时序位置，即：控制器可以同时对8路信号进行采集与控制，不会发生时序或者逻辑方面的错误。因此，光纤通信网络应用于高速数据采集系统中的采集程序可以与设计要求相满足，依照所采集的脉冲宽度，能够将系统采集速度最高值为10mb/s计算出来。采用电光调制将所采集的数字信号进行成光信号的转换，并于光纤通信网络中实施加载，再采用光纤通信网络将所采集的数据传输至高速数据主控制系统中。
图2 8路高速数据采集波形图
（三）外接存储器的设计
光纤通信网络在通过光的形式与模块相接入后，其数据速率要比FPGA数据处理能力高很多，为能够实现无误、实时的传输信号，所以设计外接存储体是极为有必要的。多类存储器在市场中有多种，其中主要包括DDRSDRAM（双倍速率）、SDRAM（同步动态随机存储器）、VCM（虚拟通信存储器）、DRDRAM（动态接口随机存储器）等，根据光纤通信具有高速率、大数据量等特征，再与总体硬件设计相结合，该系统对DDRSDRAM进行了选用。
DDRSDRAM通过双倍速率结构增加对所采集数据进行高速读取的能力，数据此双倍速率结构中的所有时钟周期都会实施着读写操作，达到双倍数据读写速度效果。此外，控制命令、数据及地址被寄存在不同的时钟跳沿，所以DDRSDRAM必须极为精准的对时钟进行判断。为与该要求相满足，时钟信号于DDRSDRAM中通过双端差动实施数据传输，即CK#与CK.在CK变高、CK#变低的情况下，会有是CK上跳沿的认识，而如果CK变低、CK#变高的情况下，会有时钟CK下跳沿的认识[2]。时钟CK上跳沿对控制命令与地址予以寄存，可将所采集的数据进行高、低划分，并分别存储在时钟上下跳沿。
DDR SDRAM在高速数据采集系统中的工作原理见图3。与系统中数据存储容量要求与处理速度相结合，选用现阶段技术比较成熟的HY5DU（L）T芯片。这种芯片有着32MB的容量，16位的数据总线宽度，芯片在最佳状态下的数据吞吐率最大值为2×16×166 M=5.312Gb/s。由此可见，DDRSDRAM芯片并不能解决光纤信号网络速率在10Gb/s时所存在的数据存储问题。此外，因为系统设计很难满足DDRSDRAM芯片速率最高值，所以，为确保外部存储器余量充足，通过4片芯片并联模式能够有效提升数据吞吐力，使其达到21.248Gb/s。
图3 DDR SDRAM在系统中的工作原理图
三、系统测试
在对基于光纤通信网络的高速数据采集系统进行性能测试时，需要通过对已知信号进行采集，并将信后存储后，对比已知信号，最终完成测试。具体测试步骤为：通过光通信协议仪将特殊信号发送出去，达到9.953Gb/s的信号速率，15520字节的帧长，为便于分析信号，需要对信号帧同步码设置成“F6 F6 F6 28 28 28”的序列，将0设置在帧头剩余部位，将5设置在帧内剩余部位。避免对信号实施直接扰码与传输。在对光信号接收后，系统应该实施光电降速与转换处理，由系统中的FPGA对数据及时钟实施接收，对其相应处理后转入外部存储器实施缓存。数据存满外部存储器后，可暂停采集数据，根据顺序对外部存储器数据实施重新读取，在计算机系统中送入千兆以太网接口实施统计对比分析。试验结果得出数据帧同步码，即：“F6 F6 F6 28 28 28”，这些同步码后有若干个0，所有净荷均是常数5。试验结果显示，发送特定数据和接收数据相同。此外，为对系统误码率进行测试，将固定数据转换为伪随机码以做信号净荷，结果显示误码率在10～12以下。
四、结束语
基于光纤通信网络对一种高速数据采集系统进行了设计，通过多路数据采集方式，并与光纤通信网络相结合，使得高速数据采集能力得到大幅提高，通过试验对8路通道在高速采集下数据采集结果进行分析，结果显示，高速数据采集系统能够多通道高速采集数据，通过光纤通信网络能够对系统上机位完成数据的采集与最终传传输工作。
参考文献：
[1]张伯超.基于光纤通信网络高速数据采集系统的设计[J].科技创新导报，2013，（10）：44.
[2]马宁，殷洪华，朱婧等.光纤通信在数控网络中的故障次数分析[J].数字技术与应用，2013，（3）：63.
[3]刘哲.多业务光纤分布系统在住宅小区网络覆盖中的应用[J].无线互联科技 ，2013，（8）：182-183.