（电气工程专业论文）基于fpga的实时数字化光纤传输方案研究.pdf

a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h er e a l t i m ec o n t r o li ns y s t e m sw i t hh i g hi s o l a t i o nd e m a n d i n g a p p l i c a t i o n s an e wa n de f f i c i e n ts c h e m eo fd i g i t i z e df i b e r o p t i ct r a n s m i s s i o ni s p r o p o s e d i nt h i ss c h e m e 鲫f p g au n i ti su s e dt op r o c e s sa n de n c o d es a m p l e d s i g n a l si na d c a n do p t i c a lf i b e ri su s e dt os e n ds i g n a l st os i g n a lp r o c e s s i n gu n i t a t t h ee n do ft h ef i b e r a n o t h e rf p g ar e c e i v e ru n i tr e c o v e r e dt h eo r i g i n a ls i g n a l s t h e s y s t e mh a sm e r i t so fs t a b l ea n dg o o dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e t h em e t h o di sr e l i a b l e f o rr e a l t i m e m u l t i p o i n ts a m p li n gd a t at r a n s m i s s i o n w i t hl o n g d i s t a n c eu n d e r d i s t u r b i n ge n v i r o n m e n t s t h es y s t e mi sd i v i d e di n t ot w op a r t sb yt h ef i b e r t r a n s m i t t i n gp a r ta n d r e c e i v i n gp a r t t h et r a n s m i t t i n gp a r tm a i n l yi n c l u d e sa na n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e ra n d a nf p g au n i t t h ea dc o n v e r t e rd i g i t i z e si n p u ta n a l o gs i g n a l s t h e nf p g a p r o c e s s e st h ed i g i t a ls i g n a l s t h ep r o c e s s i n gc o n s i s t so ft w oa s p e c t s f i r s t m a k i n ga c u s t o mt r a n s m i s s i o np r o t o c o l w i t hw h i c ht h er e c e i v i n gp a r tc a ne x a c t l ye x t r a c ta n d r e c o v e ro r i g i n a ls i g n a l s s e c o n d e n c o d i n gt h et r a n s m i s s i o np r o t o c o ls 0t h a tt h e s i g n a l sc a nb et r a n s m i t t e db yo p t i c a lf i b e r m o r e o v e r f p g ai sa l s oi nc h a r g eo f c o n t r o l l i n gt h ea dc o n v e r t e r t h ee n c o d e dp r o t o c o l w h i c hc o n t a i n st h ee f f e c t i v e s i g n a l s i st r a n s m i t t e db yt h ef i b e rt or e c e i v i n gp a r t w h e r ea n o t h e rf p g au n i t d e c o d e st h ep r o t o c o la n dr e s t o r e st h e e f f e c t i v es i g n a l sw h i c hc o u l db eu s e di n s u b s e q u e n tc i r c u i t s b e c a u s et h es i g n a l sa r et r a n s m i t t e db yas i n g l ef i b e r i ti sam u s t t oe x t r a c tt h es y n c h r o n o u sc l o c kf r o mt h es i g n a l sb e f o r ed e c o d i n gs ot h a tt h e r e c e i v i n gp a r tc a nf o l l o wt h es y n c h r o n o u sc l o c kw h e np r o c e s s i n gs i g n a l s i n a d d i t i o n u s i n gad ac o n v e r t e rt oc o n v e r tt h ee f f e c t i v ed i g i t a ls i g n a l si n t oa n a l o g s i g n a l s i no r d e rt oc o m p a r et h i so u t p u ta n a l o gs i g n a l sw i t ht h eo r i g i n a li n p u ta n a l o g s i g n a l st oo b s e r v ew h e t h e rt h ee f f e c t i v ed i g i t a ls i g n a l sa r ec o r r e c t t h ea r t i c l ef i r s t l yi n t r o d u c e st h em a i nc o m p o s i t i o no ft h ed i g i t i z e df i b e r o p t i c t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dt h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l ec i r c u i t t h e nd i s c u s s e si nd e t a i l t h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no fb o t ht h et r a n s m i t t i n gp a r ta n dt h e r e c e i v i n gp a r t t h eh a r d w a r ed e s i g ni si n t r o d u c e df r o mt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s 一i l i t h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ec i r c u i t s s e l e c t i o no fd e v i c e sa n dt h ed e s i g no fe a c h m o d u l ec i r c u i t t h ei n t r o d u c t i o no fs o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e sp r o g r a m m i n gm e t h o d s t h ep r o g r a m m i n gf l o w c h a r ta n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sf i g u r e s f i n a l l yt a k i n go n e c h a n n e ls i g n a la sa ne x a m p l e t h ep a p e rg i v e st h ee x p e r i m e n tw a v e f o r m so fm a i n s i g n a l sa n da n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h et i m ed e l a yo fs i g n a la c q u i s i t i o na n d t r a n s m i s s i o ni sl e s st h a n1 5 l s w h i c hi n d i c a t e sag o o dr e a l t i m ep e r f o r m a n c eo ft h i s s y s t e m b e s i d e s t h es y s t e ma l s oh a sg o o ds t a b i l i t y l o wb i te r r o rr a t ea n ds t r o n g a n t i j a m m i n ga b i l i t y r e s u l t so fe x p e r i m e n t sv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t y o ft h i ss c h e m e k e y w o r d s d i g i t i z e df i b e r o p t i ct r a n s m i s s i o n f p g a a d c c l o c ke x t r a c t i o n r e a l t i m e i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 查 7 吟 签字日期 pf 年弓月f o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播 可以采用 影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 妻移吟 签字日期 加j 口年 月i o 日 导师签名 帕 玉军 签字日期 加f o 年3 月l o 日 致谢 转眼间 进入浙江大学电工电子研究生班已经两年半了 在这两年半的求学 历程中 无论是学习还是生活 都有太多收获和难忘的回忆 感谢陪我走过这段 历程的所有老师 同学和朋友们 感谢你们一直以来的支持 鼓励和帮助 衷心感谢我的导师张德华副教授 本论文和课题研究都是在张老师的悉心指 导下完成的 从研究思路 研究方法到实验调试 从论文拟题 内容撰写到最后 定稿 张老师都给予了细致充分的指导 每当我遇到问题时 张老师都会耐心仔 细地给我讲解 让我能顺利地将课题研究下去 张德华导师严谨的学风 敏锐的 思维 踏实治学的精神深深地感染了我 激励着我不断学习进步 我还要感谢您 在生活上一直以来对我的关怀和帮助 让我能一次又一次地度过难关 您豁达的 胸襟 无私的奉献精神 乐观积极的生活态度也是我学习的榜样 感谢您教给我 的一切 我要特别感谢靳晓光 实验的每一步都倾注着你的努力和付出 感谢你在项 目中给予我的帮助和支持 在生活上对我的鼓励和关心 你是令人愉快的合作者 感谢张双文师兄一直以来对我学习和生活的支持和鼓励 感谢实验室同胞陈沁 野 孙文 许明夏 丁俊 毛少波 你们带给我太多快乐和感动 让我总能以愉 悦的心情投入到研究中 感谢默默支持我的父母家人 你们是我前进的动力和支柱 让我不断的有克 服困难的勇气和信心 衷心感谢电工电子研究生班所有的老师和同学 感谢你们一直以来的支持和 帮助 让我得以顺利完成论文 韩晗 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 风力发电机是将风能转化为电能的装置 是风力发电的专用设备 图1 1 为 其主要结构图 风力发电机需要安装在风力资源丰富的地方 多为海边或离海边 较近的山顶旷野 常年工作在昼夜温差大 湿度大 辐射强 雨雪甚至冰雹的恶 劣环境中 为了监控风力发电机的运行 需要测量叶轮转速 气流 环境温度 偏航系统的电流 电压等物理量 并把这些量被送入控制系统中 而风力发电机 的容量从5 0 k w 到5 0 0 0 k w 时其塔架高度分别为4 0 米到1 6 0 米f l 因此 多个 被测量必须在复杂环境下经过远距离传输才能到达控制系统 另外 为了实现采 样点的实时控制 还要求传输系统的实时性能好 基础 图1 1 风力发电机的主要结构图 如图1 1 中 在1 2 3 4 位置分别设置采样点 用传感器采集这四个点 的信号 再将信号送到5 中进行控制 传统的传输方法是 采用双绞线分别将各 采样信号送到控制端 这种方法抗干扰能力差 远距离传输延时时间长 本课题 研究的基于f p g a 的实时数字化光纤传输系统能很好的解决这些问题 采用的方 法为 将各采样信号先送到处理电路中 经处理后以一路信号的形式用光纤传输 浙江大学硕士学位论文绪论 到控制端 光纤传输的频带宽 容量大 能满足多个被测信号的传输 其抗腐蚀 和抗辐射能力强 能在风力发电机组所在的恶劣环境下正常工作 其绝缘抗电磁 干扰性能强 能很好地满足系统抗干扰性能要求 其衰减小 中继距离长的特点 使信号能更好地进行远距离传输 传输速率快的特点也能很好的支持系统实时传 输的要求 2 图1 2 为传统传输方案示意图 图1 3 为本课题研究的传输方案示意图 图1 2 传统传输方案示意图 短 距 离 信 号 线 图1 3 本课题研究的传输方案示意图 传统的传输方式直接将主电路的各采样信号用导线传输到控制端 每路采样 一2 一 浙江大学硕士学位论文 绪论 信号又都需要信号线和地线 由图1 2 可见 这种传输方式线路密集复杂 隔离 性能也较差 不适合远距离传输 而本课题研究的传输方案将各采样信号处理为 一路光信号 并通过光纤进行隔离传输 线路简单 抗干扰性能好 适合远距离 传输 本课题研究的基于f p g a 的实时数字化光纤传输方案不仅适用于风力发电 机被测信号的实时传输 还适用于其它复杂环境下系统对多点 多路采样数据实 时 可靠及远距离传输 如在液体火箭发动机系统地面测试中 被测点处于高低 温 高压和强辐射的恶劣环境中 需要将测试信号通过远距离实时传输到控制端 以便于对系统地面环境的监测 又如对矿井下电网监测系统电流信号的传输 3 1 对桥梁 大坝等重大设施的健康安全监测等 都可以用本课题研究的传输方案代 替传统电缆传输方案 1 2 数字化光纤传输方案的研究现状 根据信号的调制方式不同 光纤传输分为模拟光纤传输和数字光纤传输 数 字光纤传输将数字化技术和光纤传输技术相结合 具有更佳的抗干扰抗杂波能 力 并且无噪声累计 是多路信号远距离高品质传输的必然趋势 目前数字化光 纤传输方案已经逐渐取代了模拟传输方案 光纤传输系统需完成数据处理 光调制 传输 光接收 数据再生等一系列 处理 其中 数据处理根据不同的应用场合 包括分帧 打包 复用 编码等一 种或几种 目的是处理信号使其适合在光纤中传输 光调制是将电信号转换为光 信号的过程 光接收是将光信号还原为电信号 数据再生是将处理后的数据还原 为原始数据 是数据处理的反过程 对于数字化光纤传输 只需要在数据处理之 前加一级模数转换以完成信号的数字化 其它步骤不变 由于数字化光纤传输系统的组成比较固定 因此普遍采用一种系统结构 不 同的方案只是针对不同的应用对各个模块的设计有所不同 由于本课题研究的是 多路信号的传输 其原理结构如图1 4 所示 用a d 转换器将多路模拟信号转换 为多路数字信号 采用数据复用技术 将n 路信号复接成一路高速信号 然后 对这一路信号进行编码处理 将其转换为适合在光纤中传输的线路码型 再经过 电光转换后通过光纤传输到接收端 接收端首先进行光电转换 然后通过解码还 原信号的码型 最后通过数据解复用 将多路信号分离出来送到后续电路中 一3 一 浙江大学硕士学位论文绪论 i 模拟量h 模数转换卜 数电 光纤 光 数 据编光o 电解 据 数据输出 复 解 码 转转 码 复 l 模拟量h 模数转换卜 用换换 用 图1 4 多路信号数字化光纤传输系统的构成图 系统电路组成方面 少部分数字光纤传输系统直接采用独立芯片组成上述电 路 如选用独立的a d 转换芯片 数据复用器 编码器 译码器 数据解复用 器等 4 1 随着微电子技术的发展 利用独立芯片进行设计的方法逐渐被淘汰 大 部分系统采用专用集成电路 a s i c 芯片来实现数据复用 解复用 编解码等 功能 由于可编程逻辑器件的逻辑控制能力强 数字处理能力好 而且基于可编 程逻辑器件的系统设计方法能缩短设计周期 方便调试修改 易于升级 因此基 于f p g a c p l d 的系统设计方案是最为常用 5 f 6 另外 针对特殊的设计需要 将f p g a 和d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 结合作为系统的控制处理模块的方 法也十分常用 7 8 9 数据复用方式有光复用和电复用两种 电复用包括时分复用和副载波复用 光复用包括光波分复用和光空分复用 过去二十多年 绝大多数数字光纤传输系 统中采用时分复用方式 其方法为 将传输时间分为n 个时隙 每一个时隙传 输一路信号 从而实现多路信号的单信道传输 这种传输的干扰小 单根光纤就 可以传输多路信号 是光纤传输系统中的一个较优选择 时分复用技术的应用也 促进了光纤传输系统传输速率的大幅提高 但采用电时分复用方式来提高传输容 量的作法已经接近硅和镓砷技术的极限 几乎没有扩容潜力 而光纤的可用带宽 仅利用了不到1 如果在同一根光纤内同时用几个光源的光频作载波信号来传 输多路信号 则可以大大增加光纤的信息传输容量 这就是光波分复用方式 光 波分复用方式的采用充分利用了光纤的带宽资源 使传输容量迅速得到扩大 在 大容量远距离传输时节省了大量光纤和再生器 大大降低了传输成本 随着光器 件技术及工艺的发展 波分复用技术逐渐突破了复用路数受光器件的限制 近年 来得到飞速发展 其应用也越来越广泛 已成为数字光纤传输中数据复用技术发 展的一大趋势 电副载波复用技术是通过增加频带宽度来实现多路传输 副载 波的频率和频道数目增加 其工作带宽也增加 光空分复用技术是采用多芯光缆 一4 一 浙江大学硕士学位论文绪论 的方式传输 每根光纤传输一路信号 这两种复用方法应用不如前两种广泛 也 不适合用在本课题研究的方案中1 1 o 1 1 1 在目前采用的时分复用方法中 又有同步时分复用和异步时分复用之分 同 步时分多路复用技术按信号的路数划分时间片 每路信号轮流获得相同大小的时 间片 这种方法的控制简单 易实现 1 2 1 3 f 1 4 15 1 其缺点在于并非每一路信号都 有足够的数据能有效的使用时间片 可能会造成资源浪费 而且有大量数据需要 发送的信道又由于没有足够多的时间片可以利用 降低了设备的利用效率 异步 时分多路复用技术是按照每一路信号的数据量来分配数据单元1 1 6 提高了设备 利用率 但技术也较复杂 目前多采用同步时分复用方式 编解码模块中可选择的码型也有多种 目前应用得较为广泛地有c m i 码 1 7 1 c i m t 码 1 8 1 1 1 9 m b n b 码 2 0 和m a n c h e s t e r 码 2 l c m i 码即传号反转码 编码时c t l 交替用 1 l 和 0 0 两位码表示 0 固定用 0 l 表示 其最长连 0 连 1 数为3 m a n c h e s t e r 码也叫双相码 编码时 0 用 0 1 表示 1 用 1 0 表示 最长连 0 连 l 数为2 这两种编码方式都是用两个新码代替一个原码 定时信息丰富 但传输效率较低 仅为5 0 c i m t 码的编码方法不是直接对数据进行转换 而 是将一个时钟周期内数据的符号和与原始数据进行比较 符号相同时数据全部翻 转 否则保持不变 这种编码方式效率最高可达8 3 3 m b n b 码也叫分组码 它把码流的m 位二进制码分为一组 变换成n 位二进制码作为新码组 n m 其编码效率为f m n 1 0 0 当1 1 和m 取不同的值时编码方法也不同 常见的有 1 8 2 b 码 3 8 4 b 码 5 8 6 b 码 7 8 8 b 码和8 8 1 0 b 码 前四种多用于低 中速数 字化光纤传输系统 8 8 1 0 b 码多用于高速系统 光的发射和接收模块主要有两种方式 第一种是用单独的激光器和控制芯片 完成电 光转换 用独立的p i n 组件和放大器完成光 电转换 其优点是l d 的发 射功率大 适合远距离传输 成本也较低 缺点是集成度较低 第二种方法是采 用集成的光发射模块和光接收模块 其优点是集成度高 生产方便 缺点是远距 离传输时成本较高 但随着制造工艺的不断进步 光收发模块的价格越来越低 远距离传输也有良好发展 因此第二种方法的应用也越来越广泛 目前数字化光纤传输技术广泛应用于安防监控行业 几乎所有的网络信号如 图像 数据 音频 视频 开关量等都能用数字化光纤传输系统进行传输 数字 一5 一 浙江大学硕十学位论文绪论 化光纤传输方式既解决了过去模拟信号传输过程中噪声不断累积而无法消除的 现象 又提高了传输容量和系统性能 数字化光纤传输技术也广泛应用于国防 如雷达信号远距离传输 远程制导导弹信号的传输 遥控侦察车辆和飞行器信号 的传输等 使军事通信和武器装备更加先进和现代化 另外 在复杂 危险环境 下的系统安全监测也大量应用了数字化光纤传输技术 如煤矿瓦斯泄漏量的监 测 远程低压监控 桥梁裂缝监测 隧道火灾信号监测等f 2 2 1 这些应用都显示 出数字化光纤传输的特点和优势 1 3 数字化光纤传输系统的发展趋势 数字化光纤传输系统一直以来都在向高速率 大容量的方向发展 但容量的 需求和传输速率的提高一直以来都是光纤传输中的一对主要矛盾 过去采用时分 复用技术使传输速率得到大幅提高 但容量几乎没有扩容的潜力 而采用波分复 用技术能更好的利用光纤带宽 因此数字化光纤传输系统逐渐向波分复用方向发 展以满足高速和大容量的需求1 2 3 实现光联网也是数字化光纤传输系统的一大发展方向 目前使用的系统基本 上都是点到点的传输 其灵活性不够理想 如果能实现光联网 就能实现超大容 量光纤传输 实现多点对多点的实时监控 数字化光纤传输技术将会得到更大飞 跃f 2 4 1 采用新一代光纤是数字化光纤传输系统的又一发展趋势 新一代的非零色散 光纤能在无色散补偿的情况下进行1 0 g b p s 的长距离传输 而且 其色散值又保 持非零特性 具有一个最小数值 因而能压制调制过程中的非线性影响 这种光 纤能同时满足时分复用和波分复用两种方式的需要 更好地支持了数字化光纤传 输系统的发展 1 4 论文的主要研究内容 针对复杂环境下系统对多路 多点采样数据实时 可靠及远距离传输问题 论文选用基于f p g a 的数字化光纤传输方案 用单个a d 转换器对多路模拟信 号进行循环采样转换 再用f p g a 依次对各组数据进行处理 与传统的时分复用 方法不同的是 设计中采用定义传输协议的方式将多路信号转化为一路信号 转 换过程中数据频率保持不变 另外 后续电路中采用c m i 编解码方式和光纤收 一6 一 浙江大学硕士学位论文绪论 发器子电路结构 以光纤为界 整个系统分为发送端和接收端两个部分 论文的 研究内容主要包括以下几个方面 1 通过对系统要求的分析 选取了以光纤进行数据传输的方案 使系统具 有高隔离抗干扰性能 选择f p g a 为主要器件来处理数据和控制a d 转换器的 工作 2 设计了系统发送端和接收端两个部分的硬件电路 包括器件选型 电路 设计 确定元件参数等方面 3 利用q u a r t u s i i 开发工具和v h d l 硬件编程语言 编写了发送端f p g a 程序 包括控制a d 转换器 定义传输协议 编码 时钟倍频等程序 并对发 送端总程序进行时序仿真 分析了仿真结果 4 利用q u a r t u s i i 开发工具和v h d l 硬件编程语言 编写了接收端f p g a 程序 包括同步时钟提取 控制d a 转换器 接收协议 解码 数据存储等程 序 对接收端总程序进行时序仿真 分析了仿真结果 5 对一路模拟输入信号进行实验调试 对实验波形进行了分析总结 获得 了系统的时延 稳定性 误码率等信息 一7 一 浙江大学硕士学位论文 系统总体方案设计 第2 章系统总体方案设计 2 1 硬件总体方案设计 2 1 1 硬件总体框图 光纤厂 叫纠错位 a蓁 d誓转日ii 露f p g a 恒p 趣引露檀 f l 爿d a 转换器 图2 1 硬件总体框图 硬件总体框图如 图2 1 所示 其工作原理为 外部输入模拟信号经信号调理 模块调节到a d 电路输入范围 再经a d 转换后送入f p g a 进行处理 处理包 括两个方面 一是采用定义传输协议的方法 将多路信号组合到一路协议中 并 在有效数据前后分别添加起始位和终止位 使光纤接收端准确判断出有效信号的 起止时刻 便于光纤接收端对数据的提取 二是对协议进行编码处理 使信号能 够通过光纤进行传输 另外 f p g a 还需要控制a d 转换器的工作 光纤发送器 将f p g a 输出的电信号转换为光信号 光信号通过光纤传输到接收端 在接收端 首先用光纤接收器将光信号还原为电信号 然后接收端f p g a 再进行解码及接收 协议等处理 将有效信号提取出来 供给后续电路使用 在接收端 为了方便观 察信号是否正确 加一级d a 转换 将提取出的有效数字信号还原成模拟信号 和初始输入模拟信号进行对比观察 另外 协议中包含奇偶校验位 数据被接收 端提取后经校验若出现奇偶错误 则纠错信号显示 l 后续电路不使用此帧数 据 2 1 2 主要模块功能说明 1 1 信号调理模块 通常 传感器的输出信号非常微弱且夹杂有干扰信号 必须经过放大 滤波 等调理才能使用 另外 a d 转换器对输入模拟信号的幅度范围有一定的要求 而传感器把非电物理量变换成电信号后 并不一定在这一范围内 因此还要把信 号变换为符合a d 转换器输入要求的信号 2 a d 转换模块 一8 一 理 一理 调一 一调 叫 刊 掣 面 模一 一模 浙江大学硕士学位论文系统总体方案设计 本系统是基于数字信号进行设计的 a d 转换器实现了模拟信号到数字信号 的转化 具体转换步骤包括采样 保持 量化及编码4 个过程 采样是将随时间 连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量 采得模拟信号转换为数字信号都 需要一定时间 为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值 在取样电路后要 求将所采样的模拟信号保持一段时间 即为保持 数字信号在数值上是离散的 采样一保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上 任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍 这一过程称为量化 量化后的数 值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来 经编码后得到的代码就是a d 转换器输出的数字量 2 5 1 3 1 发送端f p g a 模块 此模块主要实现对a d 转换器的控制和数字信号的处理 a d 转换器在使 用时需要输入控制信号和配置相关的寄存器 为了便于光纤接收端接收信号 需 在发送端定义一个传输协议 另外 组成协议的普通二进制数字信号不适合直接 在光纤中传输 需要在f p g a 中进行编码等数据处理 4 1 光纤收发模块 使用光纤进行传输时 光纤的两端必须配备有光纤收发器 其中 光纤发送 器负责在发送信号时将电信号转换为光信号 光纤接收器负责在光纤另一端接收 信号时将光信号还原为电信号 5 1 接收端f p g a 模块 信号经光纤传输后 首先需要恢复为普通二进制协议 再从协议中提取出有 效数据 由于系统采用单根光纤传输 发送端的时钟不能同步传送到接收端 只 能从接收的数据中恢复出同步时钟 用提取出的同步时钟来读数据才能保证读取 的数据的正确性 这些处理都是在接收端f p g a 中完成的 6 d a 转换模块 提取出的有效数据供后续电路 如d s p 等 使用 为了便于观察提取出的 信号是否符合要求 进一步判断光纤接收的信号和输入信号的时延等 在接收端 最后加一级d a 转换 将有效数据转换成模拟信号 将此模拟信号与初始信号 比较分析 以便改进设计 9 浙江大学硕士学位论文系统总体方案设计 2 1 3 模块选择 1 信号调理模块 不同的情况下 信号调理模块可包含不同的部分 如放大 滤波 线性化补 偿 隔离等 若是对传感器的输出进行调理 则放大滤波电路是必不可少的 信号放大的 方法有多种 用运算放大器来实现信号放大是较为常见的方法 本设计也采用这 种方法 除了常规的放大滤波处理外 还需将信号与a d 转换器输入电压范围进行 匹配 若输入为交流信号而a d 转换器的模拟信号输入范围为正电压输入 则 需要给输入交流信号升高一个电压基准 使其电压上升到0 v 电压以上 从而满 足a d 转换器的输入要求 2 a d 转换模块 对多路信号进行模数转换处理 有三种常用结构 用控制单元控制多路模 拟开关的通道选择 依次选取多路信号中的一路信号 并将信号加到a d 转换 器中进行模数转换 选用内置多路模拟开关的a d 转换器 控制单元控制a d 转换器依次对每一路信号进行模数转换 一路信号对应一个a d 转换器 当 采样率很高的时候可选取这种方式 本设计采用第二种结构 选用内置多路模拟 开关的a d 转换器 a d 转换器是数据采集的核心器件 选用什么样的a d 转换芯片关系到系 统的技术指标 一般要考虑以下几个方面 精度要求 a d 转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的 分辨 率指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量 定义为满刻度与2 n 的比值 反映了a d 转换器对输入信号的分辨能力 通常以输出二进制数的位数表示 转换误差表示a d 转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别 选择a d 转换器时一般考虑分辨率 即选择a d 转换器的位数 本系统中 信 号从模拟转换为数字量传输给后续电路使用 为了匹配后续电路的精度要求 本 系统选用1 2 位a d 转换器 转换速度 转换速度是指完成一次从模拟转换到数字的a d 转换所需的 时间的倒数 积分型a d c 的转换时间是毫秒级 属低速a d c 逐次逼近型a d c 一1o 一 浙江大学硕士学位论文系统总体方案设计 是微秒级 属中速a d c 全并行 串并行型a d c 可达到纳秒级 根据系统的具 体要求 确定a d 转换器的转换速度 本系统要求一路信号从输入到输出时间 不超过5 p s 因此选用中速逐次逼近型a d 转换器 a d 转换器的输出接口状态 例如 a d 转换器是并行输出还是串行输出 是二进制码还是b c d 码输出 是用外部时钟 内部时钟还是不用时钟 有无转 换结束状态信号等 根据环境条件选择a d 转换芯片的一些环境参数要求 如工作温度 功 耗 供电要求 可靠性等 考虑成本 供货渠道等因素 3 1 接收端 发送端控制模块 发送端控制模块需要对a d c 发送数字逻辑控制 还需要对a d c 输出的数 字信号定义传输协议和进行编码处理 接收端也需要对数字信号进行解码还原等 处理 并且对d a c 发送数字逻辑控制 由于可编程逻辑器件 p r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e p l d 擅长数字逻辑控制和处理 因此发送和接收端的控制处理模块均 选用可编程逻辑器件 p l d 是在专用集成电路 a s i c 的基础上发展起来的一种新型逻辑器件 其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程 从而完成某种特定的功 能 且可以反复擦写 在修改和升级p l d 时 不需额外地改变p c b 电路板 只 是在计算机上修改和更新程序 使硬件设计工作成为软件开发工作 缩短了系统 设计的周期 提高了实现的灵活性并降低了成本 2 6 复杂可编程逻辑器件 c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e c p l d 和现 场可编程门阵列 f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y f p g a 是目前使用最为广 泛的两种p l d 尽管f p g a 和c p l d 都是可编程a s i c 器件 有很多共同特点 但由于c p l d 和f p g a 结构上的差异 又具有各自的特点 它们之间的主要区 别如表2 1 所示 表2 1c p l d 和f p g a 的区别 比较项 c p l df p g a 内部结构 程序存储 乘积项 内部e e p r o m l l 一 查找表 s r a m 外挂e e p r o m 浙江大学硕士学位论文系统总体方案设计 资源类型 集成度 使用场合 速度 其它资源 组合电路资源丰富 低 完成控制逻辑 慢 触发器资源丰富 高 能完成比较复杂的算法 快 e a b 锁相环 系统的程序设计中 需要对时钟进行精确的倍频处理 而f p g a 中内嵌的锁 相环能非常方便的进行时钟分频 倍频等处理 因此本设计中选用f p g a 作为主 要控制处理芯片 f p g a 的主要器件供应商有x i l i n x a l t e r a l a t t i c e a c t e l a t m e l 等 其中 x i l i n x a l t e r a 的市场占有率最大 a l t e r a 公司的f p g a 和其它公司的不同 其 器件的内部连线均采用连续式互连结构 即利用同样长度的金属线实现逻辑单元 之间的连接 这种结构的优点是其延时可预测 如果单从互连结构看 这样的器 件属于c p l d 但a l t e r a 的f l e x a p e x a c e x c y c l o n e 等器件同时也具有 f p g a 的一些典型特点 如精细分割的结构和大量的寄存器 因此把它们归结为 f p g a 2 7 1 可见 a l t e r a 器件集f p g a 和c p l d 两种结构之优点 从a l t e r a 器件 的特点来看 本系统选用a l t e r a 公司的f p g a 来完成控制处理的设计是比较合适 的 4 光纤收发模块 光纤收发模块选用光纤收发器 光纤收发器实现了电 光和光 电转换 转换 过程中不改变编码 不对数据作其它处理 只用于点对点的连接 2 8 1 在本系统 中较为适用 5 d a 转换模块 大多数d a 转换器由电阻阵列 多个电流和电压开关构成 按数字输入值 切换开关 产生相应输入的电流 电压 电流开关型电路如果直接输出生成的电 流 则为电流输出型d a 转换器 电流输出型很少直接利用电流输出 大多外 接电流 电压转换电路得到电压输出 如果经电阻阵列输出电压的 则为电压输 一1 2 一 浙江大学硕士学位论文系统总体方案设计 出型d a 转换器 2 9 1 d a 转换器的选择可以参考一些技术指标如分辨率 建立时间 线性度 转 换精度 温漂等 分辨率是指最小模拟输出量 对应数字量仅最低位为 1 与 最大量 对应数字量所有有效位为 1 之比 建立时间是将一个数字量转换为 稳定模拟信号所需的时间 也可以认为是转换时间 d a 中常用建立时间来描述 其速度 而不是a d 中常用的转换速率 一般地 电流输出型d a 转换器建立 时间较短 电压输出型建立时间较长 另外 还需要根据具体情况选择并行输入 或是串行输入的d a 转换器 本设计中 接收端提取出的有效信号为并行数字信号 所以选用并行d a 转换器 另外 鉴于接收端的d a 转换器仅用于便于对结果的观察 因此在转 换速度等方面无明显要求 而转换精度方面需和a d 转换器保持一致 因此选 用和a d 转换器同样位数的电压输出型d a 转换器 2 2 软件总体方案设计 2 2 1 开发工具q u a r t u si i f p g a 常用开发工具包括集成开发工具m a x p l u s i i 集成开发工具x i l i n x f o u n d a t i o n 集成开发软件x i l i n xi s e 以及硬件开发工具q u a r t u s 本设计选用的 是a l t e r a 公司生产的f p g a 芯片 因此开发工具也选用a l t e r a 公司最新发布的开 发软件q u a r t u s i i q u a r t u si i 软件是a l t e r a 的综合开发工具 它集成了a l t e r a 的f p g a c p l d 开 发流程中所涉及的所有工具和第三方软件接口 通过使用此综合开发工具 设计 者可以创建 组织和管理自己的设计 q u a r t u s i i 具有工作群组的设计环境e d a 整合 先进的编译特性和突破临界的验证环境 使设计能更有效 更完善地规划 百万门以上的逻辑门设计 并加以验证t 3 0 用q u a r t u s l l 软件进行f p g a 程序开发的基本流程如图2 2 所示 主要包括 设计输入 综合 适配 仿真 配置下载 3 1 设计输入是设计者用原理图 h d l 文本等方式将设计思路表达出来 原理 图是图形化的表达方式 使用元件符号和连线等形式描述设计 特别适合描述连 接关系和接口关系 而描述逻辑功能则比较繁琐 因此原理图输入多用于表现层 一1 3 一 浙江大学硕士学位论文系统总体方案设计 图2 2f p g a 程序开发的基本流程 次结构 模块化结构 而h d l 文本的逻辑描述能力强 移植性好 但不如原理 图直观 目前多用v h d l 和v e r i l o gh d l 文本输入语言 综合是将较高层次的设计描述自动转化为较低层次描述的过程 包括行为综 合 逻辑综合和结构综合三个步骤 行为综合是从算法表示 行为描述转换到寄 存器传输级 r t l 逻辑综合是从r t l 级描述转换到逻辑门 包括触发器 结 构综合是从逻辑门表示转换到版图表示 适配是将综合产生的网表文件配置于指定的目标器件中 并产生最终的可下 载文件 仿真是对所设计电路的功能验证 可以对整个系统和各个模块进行仿真 用 软件验证功能是否正确 各部分的时序配合是否准确 以便于及时修改设计 q u a r t u s i i 中仿真分为功能仿真和时序仿真 功能仿真不考虑信号时延等因素 通过功能仿真 可以验证整个系统的逻辑功能是否正确 时序仿真是在选择了具 体器件并完成了布局布线后的仿真 由于不同器件的内部时延不一样 不同的布 局布线方案的延时也不同 因此设计实现后的时序仿真是非常必要的 编程是将适配后生成的编程文件下载到f p g a 器件中的过程 也叫芯片配 置 f p g a 设计有两种配置形式 一种是直接由计算机经过专用下载电缆进行配 置 另外一种是由外围配置芯片进行上电时自动配置 因f p g a 具有掉电信息丢 失的性质 因此可在验证初期使用电缆直接下载位流 设计验证正确后再将程序 一1 4 浙江大学硕士学位论文系统总体方案设计 烧录至配置芯片中 2 2 2v h d l 硬件描述语言 v h d l 和v e r i l o gh d l 是最常用的硬件描述语言 本设计中使用v h d l 语言 其英文全名是 v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o n g l a n g u a g e 即超高速集成电路硬件描述语言 v h d l 主要用于描述数字系统的行为 功能 结构和接口 v h d l 的语言形 式 描述风格与一般的计算机高级语言类似 不同的是v h d l 还含有许多具有 硬件特征的语句 其程序结构是将一项设计实体 组件 电路模块或系统 分成 外部 或端口 和内部 对设计实体定义了外部界面后 一旦其内部开发完成后 其它的设计就可以直接调用这个实体 3 2 1 v h d l 具有以下特点 功能强大 设计灵活 v h d l 的语言结构功能强大 可用简洁的源代码来 描述复杂的逻辑控制 它具有多层次的设计描述功能 层层细化后可直接生成电 路级描述 v h d l 支持异步电路 同步电路和随机电路的设计 这是v h d l 优 于其它硬件描述语言的地方 另外 v h d l 既支持自顶向下的设计 又支持自底 向上的设计 既支持模块化设计 又支持层次化设计 强大的系统硬件描述能力 v h d l 既能描述系统级电路 又能描述门级电 路 具有多层次的设计描述功能 而描述既可以采用行为描述 寄存器传输描述 或结构描述 也可以采用三者混合的混合级描述 另外 v h d l 支持预定义的和 自定义的数据类型 给硬件描述带来较大的自由度 使设计人员能够方便地创建 高层次的系统模型 独立于器件的设计 与工艺无关 设计人员可集中精力进行设计的优化 不需要首先考虑选择完成设计的器件 支持广泛 易于修改 v h d l 已成为i e