基于FPGA的高速數據處理系統設計

隨著光纖傳感技術的發展，光纖傳感器已成功應用于周界入侵探測等安全防范領域。目前，已經應用于光纖微擾動傳感器或相似系統的數據處理方案比較多，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PGC解調或者是濾波等功能，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機不是專用的數據處理器，與專用數據處理器相比，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，可以使系統更緊湊，節約空間。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、高靈活性的優點應用于數字信號處理領域。本文敘述了采用FPGA
實現光纖微擾動傳感器的數據處理的具體方案，提供了一種高速實時數據處理方法。本系統的主要工作是通過基于FPGA的嵌入式系統，實現數據采集、數據存儲、LCD顯示、USB數據傳輸和數據處理，完成光纖微擾動傳感的擾動識別和定位功能。

1 系統結構和硬件設計
1．1 系統結構
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。根據傳感方案的特點，本系統應該先將所得的光信號轉換為數字化信號，然后再對信號進行處理，所以根據系統的特點，系統結構圖如圖1所示。

從結構框圖中可以看出系統由以數據處理核心，光電轉換、模數轉換、LCD顯示、數據存儲和USB通信等外圍功能模塊構造而成。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過光電轉換和A／D轉換，將信號轉換為適于FPGA處理的數字信號。然后，在FP-GA中進行數據處理，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，采集到的數據釋放。USB通信模塊只在系統和PC機相連的時候，將存儲器中數據上傳到PC機中。
1．2 系統硬件設計
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，目前大多采用相關檢測方法計算。系統采用相關檢測算法，需要進行大量互相關計算。互相關計算的具體實現是由大量的乘法和加法組成的，所以對數據處理速度要求很高。計算量很大，不過比較適合并行計算。系
統的數據處理部分采用的是XC4VSX25，Virtex-4 SX系列是Virtex-4平臺中專門為了高性能數字信號處理(DSP)應用解決方案而設計的。XC4-VSX25中含有128個XtremeDSPSlice，而每個XtremeDSPTMSlice包含1個18×18位帶補數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，構成所需要的數據處理結構，所以采用XC4VSX25為系統的數據處理器。
光電轉換部分采用PINFET，是目前比較通用的光電轉換器件。模數轉換模塊采用的是12位雙通道差分輸入SAR型AD7356，結構簡單實用。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，而且由于系統選用FPGA的管腳電壓為3．3V，可以避免電平轉換，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轉換部分由于系統要求16路．每路12位1～5 M采樣速率，并且由于系統的擾動定位算法采用相關檢測法，是對時間延遲進行檢測，因此需要在A／D轉換的過程盡量減小因為轉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，所以兩路信號的轉換是同時進行，減小了因轉換帶來的時間延遲。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的采樣頻率，滿足系統1～5 M的采樣速率要求。