光纤通信网络在高速数据采集系统中的应用

江 楠，周 鹏

(中国人民解放军92124部队，辽宁大连 116023)

光纤通信即以光纤为传输介质，以光波为载波传输光信息至相应数据处理端。高锟于1966年将石英玻璃光学纤维通信材料首次提出，开创了光纤通信网络的先河。美国于1977年在芝加哥通过多模光纤首次完成了电话通信。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，材料与技术也随之快速地更新换代，相继开发出第二、三、四、五代光纤产品［1］。通过光波复用手段能够有效提高数据采集及传输速率，且放大光波能有效实现传输距离的增长。在测量工程中，常应用到采集瞬态信号，通常需要检测设备能与高速数据采集的要求相符合，并确保被测信号范围一定。

在高速数据采集系统中，需检测设备能够执行多路传输与采集功能。所有采集部分彼此不受影响，且相互独立，单个探测器采集模块同时也可实施多路数据采集。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。

1 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就是高速采集数据，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，所有采集模块均包括8组通道，且所有通道均能完成 A/D数据(32位)的转换及采集，并可达到4 Msample·s－1的速度，80 Mbit·s－1的总数据量［2］。数据高速传输，需有较大的总线传输容量，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，不仅可满足高宽带的需要，且与光纤信号均不会被外界噪声影响的特点相符合，最终可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:(1)光波传输容量较大、频率较高。(2)具有良好保密性，不会受到电磁干扰。(3)信号不轻易衰减，具有较长的中继距离。(4)低廉、丰富的光纤材料来源，能够节省众多有色金属，且光纤材料重量轻、直径小，并具有良好地可挠性。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［3］。

2 在高速数据采集系统中的应用

2.1 高速采集模块

将Atmega168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如图1所示。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。由CPLD和AVR共同控制完成高速数据采集系统，并对所采集到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［4］。整个系统工作过程中，FIFO既具有缓存作用，还可使A/D对相关数据位数进行转换的匹配问题得到全面解决，有效调整了与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

2.2 控制程序设计

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，若控制信号属于低电平状态，触发采集，8路数据通道存储采集到的数据，EOC电平逐渐下降［5］。在数据采集过程中，所有通道均具有相同的工作原理，且最终都在存储区中存入所采集到的数据。

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通道的数据转换及控制，所产生出的波形如图2所示。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，即控制器可同时对8路信号进行采集与控制，不会发生时序或逻辑方面的错误［6］。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符合设计要求，依照所采集的脉冲宽度，能够将系统采集速度最高值为10 Mbit·s－1计算出来。采用电光调制将采集到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

2.3 外接存储器设计

光纤通信网络在通过光的形式与模块接入后，其数据速率比FPGA数据处理能力高，为了能够实现准确、实时地传输信号，故设计外接存储体是必要的。

多累存储器在市场中有多种，其中主要包括DDRSDRAM、SDRAM、VCM、DRDRAM 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，该系统选用 DDRSDRAM［7］。

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，此双倍速率结构中的所有时钟周期均会实施读写操作，从而达到双倍数据读写速度的效果。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，会认定CK为上跳沿;而若CK变低、CK#变高的情况下，会有时钟CK下跳沿的认识［8］。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，如图3所示。与系统中数据存储容量要求与处理速度相结合，选用现阶段技术较成熟的HY5DU(L)T芯片。该芯片拥有32 MB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2×16×166×106=5.312 Gbit·s－1。由此可见，DDRSDRAM 芯片并不能解决光纤信号网络速率在10 Gbit·s－1时所存在的数据存储问题［9］。此外，因系统设计难以满足DDRSDRAM芯片速率最高值，故为了确保外部存储器余量充足，可通过4片芯片并联模式有效提升数据吞吐力，使其达到 21.248 Gbit·s－1。

图3 DDR SDRAM在系统中的工作原理图

3 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，需通过对已知信号进行采集，并将信号存储后，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9.953 Gbit·s－1的信号速率，15 520 Byte 的帧长，为便于分析信号，需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，并将5设置在帧内剩余部位，由此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［10］。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，所有净荷均为常数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。

4 结束语

本文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。同时，通过试验对8路通道在高速采集下数据采集结果进行了分析。结果显示，高速数据采集系统可完成多通道高速的数据采集，通过光纤通信网络还可对系统上机位完成数据的采集与传输工作。

［1］刘战忠，刘笃仁，张玉冰.基于CPLD的多路数据采集系统的设计［J］.中国集成电路设计技术，2007，33(7):52－55.

［2］宋华伟，苗世洪，张军民.CPL D在高压微机保护装置中的应用研究［J］.电力电气，2006，25(12):264 －266.

［3］Tsividis Y，Bing Xueshi.Cancellation of distor tionofany orderininte grate d active RC filters［J］.IEE Electronic Leftter，1985，2(4):132 －134.

［4］刁明新，刘少君，裴海龙.光纤通信在数控网络中的应用及其实现［J］.微计算机信息，2007(7):120－121.

［5］杨光宇，高晓蓉，王黎，等.便携式电气元件检测器的数据采集系统设计［J］.微计算机信息，2008(19):169－170.

［6］刘威.光纤通信技术与光纤传输系统的研究［J］.科技信息:学术研究，2008(19):147 －148.

［7］苏绍璟，郭溪业，陈卓轩，等.超高速光纤通信数据采集系统［J］.数据采集与处理，2007(3):159－160.

［8］科卞.MCS－51－1单片单板机及单片机(光纤)集成系统［J］.电子科技大学学报:自然科学版，1992(S1):196 －197.

［9］李乐民.宽带光纤通信网［J］.电子科技大学学报:自然科学版，1992(S2):112－113.