基于FPGA与SRAM数据采集系统设计

江丽++肖思其

摘 要：传统的数据采集系统大都是由ARM+DSP实现的，虽然DSP的优势在于数据处理，但是随着FPGA技术的发展，很多FPGA已經可以取代DSP的作用了。尤其是在高速实时的数据采集领域，采集回来的数据速度高，数据处理相对简单（平均处理），使用FPGA构建的数据采集系统能更加快速地对采集的信息进行快速处理。本设计的工程的具体应用背景是光纤通信检测仪，期中数据采集与处理模块有别于传统的MCU架构，采用的是FPGA+SRAM架构，可实现高速数据采集与处理。

关键词：FPGA SMAM 高速数据采集数据处理

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（c）-0039-02

FPGA架构的数据采集系统相比较于MCU系统，存在以下工作优势：（1）数据处理及运算速度快；（2）采用并行的数据处理模式，纯硬件化设计不会出现死机或程序跑飞等问题；（3）采样点多也可以抑制测量误差。因此可实现高速实时信号采集与处理。本设计采用的是FPGA+SRAM架构。实现高速数据的采集与运算处理。

1 系统设计原理

系统从总体上讲可分为三大部分，分别为信号收发部分、数据处理部分和数据显示部分，如图1所示。

信号接收模块由以下个不同功能部分构成：脉冲发生器，会产生一个脉冲信号，也就是光脉冲，通过激光二极管，再经由分路器，光纤连接器注入到待测量的光纤中，背向散射和反射信号会在光脉冲的传输过程中产生，光纤不仅可以传输光信号，还可以反射回散射信号，反射回来的光信号通过光分路器的另一路作用于光敏二极管，放大器实现的功能是可以将光敏二极管采集的微弱信号进行放大，A/D转换器实现的功能是将模拟信号转换成数字信号，再将数据输送给信号处理器进行处理[1]。

数据处理模块主要完成的是对采集信号的算法处理。它不仅可以控制脉冲宽度，并控制两个并行脉冲之间的距离和取样信号。为了改善信号轨迹结果的信噪比，实现数据的多重发送，在数据算法处理上，采用了平均算法因为噪声是随机的，因此，可以通过求得一定距离的数据点把它们加以平均，噪声被平均后无限趋近于零，并且剩下的数据将更准确地反映背向散射和反射程度。

数据显示模块实现的功能是，将处理后的数据结果通过显示模块显示出来。结果是以波形的形式显示出来的，横坐标表示距离，纵坐标表示功率，通过键盘获得用户要输入的设置信息，并根据这些设置来控制信号的收发和处理。

2 数据采集系统硬件实现

本系统的总体设计方案如图1所示，整个方案主要由ARM与FPGA组合构建，系统包括以下功能模块：人机交互模块、AD数据采集模块、由FPGA主控芯片构成的数据处理模块、由ARM构成的数据显示模块。可以通过人机界面向系统输入对应的参数指令。人机交互模块主要可以设置脉冲宽度、采样点数，以及选择发送何种波长的激光。AD数据采集模块、由FPGA主控芯片构成的数据处理模块、完成数据的采集与运算处理，运算处理后的结果存储到SRAM里。数据循环采集，结果累加后再进行平均。完成数据处理后，采用串口发送数据，实现与ARM的通讯与数据显示[1]。整个系统的数据采集部分采用分模块化设计如图2所示。

FPGA采用在PS方式下，DCLK表示配置时钟，FPGA主控芯片大都内部都自带时钟源，也可为外部时钟源提供的时钟，配置数据用DATA表示，nCONFIG为配置命令，主要功能为配置控制状态的输入；器件复位时低电平有效。DATA是配置数据，FPGA接收配置时钟、配置命令和配置数据，给出配置的状态信号以及配置完成指示信号[3]。

3 数据分析与总结

数据处理模块主要完成的是对采集信号的算法处理。它不仅可以控制脉冲宽度，并控制两个并行脉冲之间的距离和取样信号。为了改善信号轨迹结果的信噪比，实现数据的多重发送，在数据算法处理上，采用了平均算法因为噪声是随机的，通过求得一定距离的数据点把它们加以平均，噪声被平均后无限趋近于零，并且剩下的数据将更准确的反映背向散射和反射程度。

参考文献

[1] 牛琨.基于ARM的OTDR系统及其应用软件设计[D].天津大学，2008.

[2] 张恺.基于ARM的OTDR控制系统的构建[D].天津大学，2007.

[3] 张新慧，彭丽芳，陈宗军，等.利用重复采样技术提高OTDR中ADC量化精度[J].山东理工大学学报：自然科学版，2002，16（4）：34-37.endprint