基于光纖通信的分布式高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一個(gè)高精度、高信噪比的遠(yuǎn)距離分布式多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)由前端采集模塊和后端解算卡組成，其中前端分布式采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣并在抗混疊數(shù)字濾波后，通過(guò)光纖通道將數(shù)據(jù)傳給后端的實(shí)時(shí)解算卡做進(jìn)一步的并行解算與分析處理。經(jīng)最小二乘曲線擬合法測(cè)試表明，該采集系統(tǒng)的采樣誤差小于0．1％。
關(guān)鍵詞：光纖通信；分布式；高精度；數(shù)據(jù)采集；CompactPCI Express

0 引言
瞬態(tài)信號(hào)捕獲的測(cè)試測(cè)量工程應(yīng)用中，通常要求測(cè)試設(shè)備能夠滿足高速高精度的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，同時(shí)被測(cè)量信號(hào)應(yīng)分布在一定距離范圍內(nèi)。這就要求測(cè)試設(shè)備能夠執(zhí)行分布式的采集與傳輸任務(wù)。此外，每個(gè)分布點(diǎn)的模擬信號(hào)可能有多種類型，因此，單個(gè)分布點(diǎn)處的采集模塊又需要多通道并行采集。為此，本文給出了基于光纖通信的高性能分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)描述了設(shè)備的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及其采樣精度的驗(yàn)證方法。

1 分布式系統(tǒng)架構(gòu)
本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)分為前端和后端兩部分，前端是分布式的采集模塊，后端采用改進(jìn)的Compact PCI Express背板傳輸結(jié)構(gòu)，兩部分之間通過(guò)光纖通信，圖1所示是其結(jié)構(gòu)示意圖。

在系統(tǒng)前端，采樣點(diǎn)分布在較長(zhǎng)距離范圍內(nèi)，每個(gè)采集模塊的設(shè)計(jì)集成了六個(gè)通道，每個(gè)通道的16位AD采集率按要求要達(dá)到4MSPS，總共的數(shù)據(jù)量可達(dá)到48MB／s，如此大的數(shù)據(jù)量，一方面要求傳輸總線的容量要足夠大，另一方面要求數(shù)據(jù)不能因傳輸過(guò)程中的外界噪聲而出現(xiàn)高誤碼率。鑒于此，本設(shè)計(jì)采用分布式采集、光纖通信的設(shè)計(jì)方案。這樣既能滿足高帶寬要求，又能使數(shù)據(jù)(光信號(hào))在傳輸中不受外界噪聲(電信號(hào))影響，從而達(dá)到高速高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹１驹O(shè)計(jì)中每個(gè)采樣模塊都連接有一對(duì)光纖通道：其中一根用于下行發(fā)送同步信息和配置命令，另一根用于上行傳輸數(shù)據(jù)和模塊當(dāng)前配置信息。
本系統(tǒng)后端采用改進(jìn)的CPCI-E背板結(jié)構(gòu)，它集成有CompactPCI (CPCI)、CompactPCI Express (CPCI-E)和實(shí)時(shí)觸發(fā)總線等三種總線。其中CPCI總線用于低速傳輸以及兼容已有功能卡產(chǎn)品；CPCIE總線用于高速數(shù)據(jù)傳輸；實(shí)時(shí)觸發(fā)總線用于系統(tǒng)內(nèi)各種板卡的精確同步。本系統(tǒng)內(nèi)有一張4路PCIE x1的背板，故允許四張實(shí)時(shí)解算卡同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)工作。每張卡上根據(jù)需要又可掛1～4個(gè)采集模塊。處理卡通過(guò)PCIE與主機(jī)通信，并通過(guò)實(shí)時(shí)觸發(fā)總線與系統(tǒng)內(nèi)其他功能卡同步。實(shí)時(shí)解算卡向下可通過(guò)光纖發(fā)送同步信息和配置命令，并對(duì)前端由光纖傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，以得到一些參數(shù)性的結(jié)果，同時(shí)也可以將原始數(shù)據(jù)通過(guò)PCIE傳輸給主機(jī)顯示并存儲(chǔ)。
因此，這種分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能有效地解決遠(yuǎn)距離分布點(diǎn)的多通道采樣、數(shù)據(jù)的高質(zhì)量高速傳輸、大量數(shù)據(jù)的并行實(shí)時(shí)處理等工程問(wèn)題。