基于光纖通信的分布式高速高精度數據采集系統設計

摘要：介紹了一個高精度、高信噪比的遠距離分布式多通道數據采集系統的設計方法。該系統由前端采集模塊和后端解算卡組成，其中前端分布式采集模塊負責對模擬信號進行采樣并在抗混疊數字濾波后，通過光纖通道將數據傳給后端的實時解算卡做進一步的并行解算與分析處理。經最小二乘曲線擬合法測試表明，該采集系統的采樣誤差小于0．1％。
關鍵詞：光纖通信；分布式；高精度；數據采集；CompactPCI Express

0 引言
瞬態信號捕獲的測試測量工程應用中，通常要求測試設備能夠滿足高速高精度的數據采集任務，同時被測量信號應分布在一定距離范圍內。這就要求測試設備能夠執行分布式的采集與傳輸任務。此外，每個分布點的模擬信號可能有多種類型，因此，單個分布點處的采集模塊又需要多通道并行采集。為此，本文給出了基于光纖通信的高性能分布式數據采集系統的設計方法，同時描述了設備的設計、實現及其采樣精度的驗證方法。

1 分布式系統架構
本系統的整體結構分為前端和后端兩部分，前端是分布式的采集模塊，后端采用改進的Compact PCI Express背板傳輸結構，兩部分之間通過光纖通信，圖1所示是其結構示意圖。

在系統前端，采樣點分布在較長距離范圍內，每個采集模塊的設計集成了六個通道，每個通道的16位AD采集率按要求要達到4MSPS，總共的數據量可達到48MB／s，如此大的數據量，一方面要求傳輸總線的容量要足夠大，另一方面要求數據不能因傳輸過程中的外界噪聲而出現高誤碼率。鑒于此，本設計采用分布式采集、光纖通信的設計方案。這樣既能滿足高帶寬要求，又能使數據(光信號)在傳輸中不受外界噪聲(電信號)影響，從而達到高速高質量數據傳輸的目的。本設計中每個采樣模塊都連接有一對光纖通道：其中一根用于下行發送同步信息和配置命令，另一根用于上行傳輸數據和模塊當前配置信息。
本系統后端采用改進的CPCI-E背板結構，它集成有CompactPCI (CPCI)、CompactPCI Express (CPCI-E)和實時觸發總線等三種總線。其中CPCI總線用于低速傳輸以及兼容已有功能卡產品；CPCIE總線用于高速數據傳輸；實時觸發總線用于系統內各種板卡的精確同步。本系統內有一張4路PCIE x1的背板，故允許四張實時解算卡同時在系統內工作。每張卡上根據需要又可掛1～4個采集模塊。處理卡通過PCIE與主機通信，并通過實時觸發總線與系統內其他功能卡同步。實時解算卡向下可通過光纖發送同步信息和配置命令，并對前端由光纖傳來的數據進行并行處理，以得到一些參數性的結果，同時也可以將原始數據通過PCIE傳輸給主機顯示并存儲。
因此，這種分布式的系統結構能有效地解決遠距離分布點的多通道采樣、數據的高質量高速傳輸、大量數據的并行實時處理等工程問題。