基于FPGA的高速数据处理系统设计(转自电子EDA).doc

基于FPGA的高速数据处理系统设计

技术分类：HYPERLINK"http://www.ednchina.com/TechClass/PLDFPGA/Default.aspx"可编程器件|2011-03-3021ic刘吉杨德伟李立京刘超高广林
随着光纤传感技术的发展，光纤传感器已成功应用于周界入侵探测等安全防范领域。目前，已经应用于HYPERLINK"http://article.ednchina.com/word/322219.aspx"\o"光纤微扰动传感器"光纤微扰动传感器或相似系统的HYPERLINK"http://article.ednchina.com/word/322220.aspx"\o"数据处理"数据处理方案比较多，有DSP、HYPERLINK"http://article.ednchina.com/word/322217.aspx"\o"FPGA"FPGA、FPGA+DSP、labview等多种方案。但是目前的解决方案大多是对信号进行前期处理，实现PGC解调或者是滤波等功能，仅仅对实验方案进行验证，扰动判别和定位等工作需要上传到PC机上进行。
然而，PC机不是专用的数据处理器，与专用数据处理器相比，PC机体积大、功耗大、处理速度慢。而且在通常的实时信号处理中，专业处理芯片外围电路比较少，一般来说一块电路板就可以完成所需功能，功耗大大减少，而且相比PC机庞大的体积，可以使系统更紧凑，节约空间。FPGA由于其高度的并行和灵活的配置特性，以高速、实时、低成本、高灵活性的优点应用于数字信号处理领域。本文叙述了采用FPGA实现光纤微扰动传感器的数据处理的具体方案，提供了一种高速实时数据处理方法。本系统的主要工作是通过基于FPGA的嵌入式系统，实现数据采集、数据存储、LCD显示、USB数据传输和数据处理，完成光纤微扰动传感的扰动识别和定位功能。
1系统结构和硬件设计
1．1系统结构
光纤微扰动传感器采用马赫-泽德／马赫-泽德(M-Z／M-Z)混合干涉仪方案作为传感方案。而马赫-泽德／马赫-泽德混合干涉仪方案是通过测量两路光信号到达测量端的时间差来确定扰动位置的一种方案。根据传感方案的特点，本系统应该先将所得的光信号转换为数字化信号，然后再对信号进行处理，所以根据系统的特点，系统结构图如图1所示。

从结构框图中可以看出系统由以数据处理核心，光电转换、模数转换、LCD显示、数据存储和USB通信等外围功能模块构造而成。由于光纤微扰动传感器的传感采用的是光纤，所以首先需要将信号经过光电转换和A／D转换，将信号转换为适于FPGA处理的数字信号。然后，在FP-GA中进行数据处理，判断接收信号是否是入侵行为。如果存在入侵行为，则同时将采集到的信号存入存储器，并在LCD上显示入侵位置；如果没有入侵行为，则在LED上显示正常，采集到的数据释放。USB通信模块只在系统和PC机相连的时候，将存储器中数据上传到PC机中。
1．2系统硬件设计
马赫-泽德／马赫-泽德混合干涉仪方案将扰动位置求解问题就转化为测量两路信号到达测量端的时间差，因此求扰动点的位置的问题转换为求两路信号的时间延迟估计问题。对于时间延迟估计问题，目前大多采用相关检测方法计算。系统采用相关检测算法，需要进行大量互相关计算。互相关计算的具体实现是由大量的乘法和加法组成的，所以对数据处理速度要求很高。计算量很大，不过比较适合并行计算。系统的数据处理部分采用的是XC4VSX25，Virtex-4SX系列是Virtex-4平台中专门为了高性能数字信号处理(DSP)应用解决方案而设计的。XC4-VSX25中含有128个HYPERLINK"http://article.ednchina.com/word/322218.aspx"\o"XtremeDSP"XtremeDSPSlice，而每个XtremeDSPTMSlice包含1个18×18位带补数功能的有符号乘法器、加法器逻辑和1个48位累加器。每个乘法器或累加器都能独立使用。
XC4VSX25中含有多个XtremeDSPSlice，而且FPGA中的XtremeDSPSlice可通过IP核的形式方便地调用。同时XtremeDSPSlice中每个乘法器或累加器都能独立使用，在XC4VSX25中可方便地将乘法器和累加器组合，构成所需要的数据处理结构，所以采用XC4VSX25为系统的数据处理器。
光电转换部分采用PINFET，是目前比较通用的光电转换器件。模数转换模块采用的是12位双通道差分输入SAR型AD7356，结构简单实用。大容量存储模块采用SUMSUNG公司具有200μs的页写速度的1GB容量K9K8G08UOM型Flash，可以满足系统的实时性，并能够存储较长时间的扰动信号。LCD模块采用的是3．3V