基于FPGA技术的多路并行通信信号采集系统

赵飞燕 蔺勇

摘 要： 为解决传统通信信号采集系统信号采集强度低的问题，设计了基于FPGA技术的多路并行通信信号采集系统。对多路并行通信信号采集模拟电路进行优化，降低信号采集过程中受到的干扰。结合模糊规则原理对多路通信信号采集流程进行简化处理；利用十字交叉路口信息采集理论设计通信系统相位采集控制，优化通信系统信号采集神经网络，实现对多路并行的信号采集。实验结果证实，基于FPGA技术的多路并行通信信号采集系统比传统系统的采集强度提高了10%以上，从而验证了系统的有效性。

关键字： 自适应控制； 仿真模拟； FPGA技术； 通信频率； 信号采集； 多相位控制

中图分类号： TN911?34； U665 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）19?0027?04

Abstract： A multi?channel parallel communication signal acquisition system based on FPGA technology was designed to improve the signal acquisition intensity of the traditional communication signal acquisition system. The analog circuit of the multi?channel parallel communication signal acquisition is optimized to reduce the interference existing in the signal acquisition process. The fuzzy rule principle is combined to simplify the acquisition process of multi?channel communication signal. The intersection information acquisition theory is used to design the phase acquisition control of the communication system， optimize the neural network for signal acquisition of the communication system， and realize the multi?channel parallel signal acquisition. The experimental results show that the signal acquisition intensity of the multi?channel parallel communication signal acquisition system based on FPGA technology is increased by 10% than that of the traditional communication signal acquisition system， which can verify the effectiveness of the proposed system.

Keywords： adaptive control； simulation； FPGA technology； communication frequency； signal acquisition； multi?phase control

0 引 言

通信信号采集系统在信息的传输和接收过程中易受到外界因素的干扰，难以保障通信信息的准确采集和传输，一旦在多路并行的复杂路段出现通信问题，易造成严重的交通拥堵现象，甚至威胁驾驶人员的生命安全。传统数据采集系统采取单片机来控制主要系统模块，完成数据信号的采集，该系统速度性能相对较差，难以保障系统运行的实时性[1]。随着射频技术、无线通信等技术的快速发展，利用FPGA技术进行信号采集，可有效提高系统的工作速度和效率。因此本文设计基于FPGA技术的多路并行通信信号采集系统，解决当前数据信号采集系统中存在的问题。实验结果显示，基于FPGA技术的多路并行通信信号采集系统不仅在性能上优于传统的单片机控制采集系统，在数据处理方面也十分强大，具有广阔的应用前景。

1 基于FPGA技术的多路并行通信系统设计

如果在信道中对发送的信息进行有针对性的干扰，就会破坏接收信号的质量，从而导致信息量减少或者中断，破坏了通信系统传输的质量。借助于对被测信号在时域或变换域的特性分析，提高信号利用程度[3]。随着DSP和FPGA技术的开发取得了飞跃性的发展，本文使用DSP和FPGA技术设计信号采集系统[4]，系统硬件结构框图如图1所示。

1.1 模拟电路设计

模拟电路和数字电路是系统硬件电路的两大组成部分[5]。模拟电路主要对输入的信号进行放大处理，包括放大器等精密仪器。处理后得到三路输出信号，其中两路信号被输送到数字电路系统作为控制信号，另一路则被送到A/D转换电路。FPGA（EPF10K20TC144?4）芯片由数字电路集成，由A/D转换芯片（AD1674）将数据转换成数字信号后，协调控制信号和各控制模块[6]。当探测器探测到信号后，将信号传送到放大电路，通过第一级前置线性放大电路对传送至放大器的脉冲信号进行放大处理，如图2所示。

模数电路将模拟量转换为数字量以达到快速编译脉冲信号的目的，方便计算机处理[7]。模数转换电路的设计精度影响着分辨率和转换精度，因此，转换速度、转换精度成为选择分析器的AID芯片时的主要参数[8]。表1对比了几种不同的AID芯片参数。

1.2 通信信号采集流程设计

通过模仿人类对模糊信息的表达方式推演出模糊控制算法，利用人的知识累积模糊规则库数据与模糊化后的参考值进行匹配后，输出反模糊化数据，该数据表达出的最终决策能达到与人脑类似的逻辑推理。模糊规则库建立的过程可以比作有经验的交警有时凭借工作以来积攒的交通指挥经验来控制红绿灯的开启，模糊规则库就相当于交警的指挥经验[9]。模糊控制通过计算机与模糊规则库对比后转换成可以识别的语言，通过计算代替人做出合理的控制策略[10]。通信信号采集流程如图3所示。

在交通控制系統中，对接收到的数字信号进行变换等相应的处理[11]。一般情况下，采用普通MCU控制的通信控制系统因为本身指令周期的影响往往运行速度慢，所以采用具有容易编程、运行速度快的FPGA芯片。在信号采集系统的设计中，基于FPGR技术采用两块FPGA芯片，分别放置在采集系统的发送端电路以及由A/D转换器和运算放大器组成的信号接收端电路[12]。

2 实现通信信号采集处理

2.1 通信系统相位采集控制

控制器对整个信号采集系统协调工作起着重要的作用[13]，ADC0809地址选择器控制每一路通道的采集，然后程序将存储在RAM中的ADC0809二进制数据进行读写模型描述[14]，四相位的十字交叉路口通行示意图如图4所示。

在十字路口同时完成两个方向所用的时间称之为相位。分析各个相位的交通控制环境对设计交通控制系统显得尤为重要。在实际交通控制中，一个十字路口通常分为东西南北四个方向的直行和转向，所以一个十字路口有四种相位。保障系统能够快速地对通信信号进行采集和识别，在多路并行情况下及时变换信道位置信息，避免外界因素对信息波段产生干扰。因此本文提出多相位控制方法，如图5所示。

该方法由若干个小的相位程序组成一个大相位程序，并对各个程序任务彼此之间的信息进行交汇处理，完成系统通信信息资源采集和共享工作。系统中任一个小程序都可以跟随另一个程序任务的执行节拍进行同步信息采集任务，并通过最终的通信机制进行信息传递和处理工作。

2.2 通信系统信号采集神经网络构建

为了实现智能控制，首先对通行车辆进行相关参数的测定。将控制器放在十字路口的中心位置，随后将车流量检测器放置在每条路段的入口处，把地感线圈检测器铺设在相距100 m左右的每条路面下面。测量当前相位行驶车辆的通过频率，将其作为是否测量下一相位的依据。根据实时采集的车流量数据对相位的顺序进行调整，以适应不同情况下的交通需求。

根据模糊算法的定义，当测得某一相位的车流量较少时，可以减少该相位开启的时间。为了避免误检，保证后面排队的车辆安全通过，检测器在相位开启后10 s才开始工作。当某一相位上车流量较多时，适当延长相位开启的时间，但是考虑到其他相位上的车辆，所以不能超过预设的最长时间。为了更好地对相位开启的时间进行控制，设计控制系统神经网络结构如图6所示。

基于FPGA设计的交通控制系统计算速度快、稳定性好，完全可以实现对各个相位进行及时的交通调控。能够快速地采集车流量并及时做出相应的控制策略。为了克服现有交通控制系统的缺点，更好地解决城镇交通拥堵问题，采用VHDL语言编程设计基于FPGA技术的多路并行通信信号采集系统，同时对设计系统进行Quartus Ⅱ软件平台仿真模拟。仿真结果证明，该系统能够根据车流量的实时变化及时做出相应策略，有效地解决了交通拥堵的问题。系统结构如图7所示。

3 实验结果与分析

为满足系统的功能和技术要求，对系统进行模拟测试。测试结果表明：各个电路模块系统的各项功能均符合逻辑，系统运行数据处理结果与软件仿真后的结果一致，可以有效地进行交通控制。仿真结果如图8所示。

通过对比传统并行通信信号相位进行检测，发现利用现代计算机技术对实际交通状况进行微观仿真模型研究能更准确地预测交通状况，该方法对多路并行通信信号的采集强度明显优于传统方法，且在信号较多的情况下系统运行相对稳定，信号传输过程基本一致，不存在偏差，且比传统方法节省了50%以上的检测时间。从仿真的结果来看，所设计的交通控制系统涉及的各项功能都是可行的，控制系统功能已经达到了预期目标。

4 结 语

随着人们生活质量的提高和经济的飞速增长，城市车辆拥有量呈现出大幅度上升趋势，所以近年来交通拥堵问题也越发引起人们关注。交通控制系统是交通系统中的核心，因此本文设计了基于FPGA技术的多路并行通信信号采集系统。该系统可快速采集车辆实时通过频率，实现了系统和数据源的交换，进而做出相应的控制策略，可以较好地解决交通拥堵问题，具有较高的实用性和广阔的应用前景。

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