基于FPGA的高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計

隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器已成功應(yīng)用于周界入侵探測等安全防范領(lǐng)域。目前，已經(jīng)應(yīng)用于光纖微擾動傳感器或相似系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方案比較多，有DSP、FPGA、FPGA+DSP、labview等多種方案。但是目前的解決方案大多是對信號進行前期處理，實現(xiàn)PGC解調(diào)或者是濾波等功能，僅僅對實驗方案進行驗證，擾動判別和定位等工作需要上傳到PC機上進行。
然而，PC機不是專用的數(shù)據(jù)處理器，與專用數(shù)據(jù)處理器相比，PC機體積大、功耗大、處理速度慢。而且在通常的實時信號處理中，專業(yè)處理芯片外圍電路比較少，一般來說一塊電路板就可以完成所需功能，功耗大大減少，而且相比PC機龐大的體積，可以使系統(tǒng)更緊湊，節(jié)約空間。FPGA由于其高度的并行和靈活的配置特性，以高速、實時、低成本、高靈活性的優(yōu)點應(yīng)用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域。本文敘述了采用FPGA
實現(xiàn)光纖微擾動傳感器的數(shù)據(jù)處理的具體方案，提供了一種高速實時數(shù)據(jù)處理方法。本系統(tǒng)的主要工作是通過基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、LCD顯示、USB數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理，完成光纖微擾動傳感的擾動識別和定位功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
光纖微擾動傳感器采用馬赫-澤德／馬赫-澤德(M-Z／M-Z)混合干涉儀方案作為傳感方案。而馬赫-澤德／馬赫-澤德混合干涉儀方案是通過測量兩路光信號到達測量端的時間差來確定擾動位置的一種方案。根據(jù)傳感方案的特點，本系統(tǒng)應(yīng)該先將所得的光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信號，然后再對信號進行處理，所以根據(jù)系統(tǒng)的特點，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

從結(jié)構(gòu)框圖中可以看出系統(tǒng)由以數(shù)據(jù)處理核心，光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、LCD顯示、數(shù)據(jù)存儲和USB通信等外圍功能模塊構(gòu)造而成。由于光纖微擾動傳感器的傳感采用的是光纖，所以首先需要將信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和A／D轉(zhuǎn)換，將信號轉(zhuǎn)換為適于FPGA處理的數(shù)字信號。然后，在FP-GA中進行數(shù)據(jù)處理，判斷接收信號是否是入侵行為。如果存在入侵行為，則同時將采集到的信號存入存儲器，并在LCD上顯示入侵位置；如果沒有入侵行為，則在LED上顯示正常，采集到的數(shù)據(jù)釋放。USB通信模塊只在系統(tǒng)和PC機相連的時候，將存儲器中數(shù)據(jù)上傳到PC機中。
1．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
馬赫-澤德／馬赫-澤德混合干涉儀方案將擾動位置求解問題就轉(zhuǎn)化為測量兩路信號到達測量端的時間差，因此求擾動點的位置的問題轉(zhuǎn)換為求兩路信號的時間延遲估計問題。對于時間延遲估計問題，目前大多采用相關(guān)檢測方法計算。系統(tǒng)采用相關(guān)檢測算法，需要進行大量互相關(guān)計算。互相關(guān)計算的具體實現(xiàn)是由大量的乘法和加法組成的，所以對數(shù)據(jù)處理速度要求很高。計算量很大，不過比較適合并行計算。系
統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分采用的是XC4VSX25，Virtex-4 SX系列是Virtex-4平臺中專門為了高性能數(shù)字信號處理(DSP)應(yīng)用解決方案而設(shè)計的。XC4-VSX25中含有128個XtremeDSPSlice，而每個XtremeDSPTMSlice包含1個18×18位帶補數(shù)功能的有符號乘法器、加法器邏輯和1個48位累加器。每個乘法器或累加器都能獨立使用。
XC4VSX25中含有多個XtremeDSP Slice，而且FPGA中的XtremeDSP Slice可通過IP核的形式方便地調(diào)用。同時XtremeDSP Slice中每個乘法器或累加器都能獨立使用，在XC4VSX25中可方便地將乘法器和累加器組合，構(gòu)成所需要的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，所以采用XC4VSX25為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理器。
光電轉(zhuǎn)換部分采用PINFET，是目前比較通用的光電轉(zhuǎn)換器件。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用的是12位雙通道差分輸入SAR型AD7356，結(jié)構(gòu)簡單實用。大容量存儲模塊采用SUMSUNG公司具有200 μs的頁寫速度的1 GB容量K9K8G08UOM型Flash，可以滿足系統(tǒng)的實時性，并能夠存儲較長時間的擾動信號。LCD模塊采用的是3．3 V單電源供電的320x240大屏幕點陣液晶ZXM320240E1，有足夠的空間將多路的情況同時顯示在屏幕上，而且由于系統(tǒng)選用FPGA的管腳電壓為3．3V，可以避免電平轉(zhuǎn)換，電路簡潔。USB通信模塊采用的是集成了8051單片機的CY7C68013A型USB控制器。
其中A／D轉(zhuǎn)換部分由于系統(tǒng)要求16路．每路12位1～5 M采樣速率，并且由于系統(tǒng)的擾動定位算法采用相關(guān)檢測法，是對時間延遲進行檢測，因此需要在A／D轉(zhuǎn)換的過程盡量減小因為轉(zhuǎn)換而帶來的時間延遲誤差。選用12位雙通道差分輸入SAR型AD7356，該A／D為雙通道型，所以兩路信號的轉(zhuǎn)換是同時進行，減小了因轉(zhuǎn)換帶來的時間延遲。而且AD7356的采樣頻率由輸入時鐘信號決定，因此可以很方便的改變系統(tǒng)的采樣頻率，滿足系統(tǒng)1～5 M的采樣速率要求。