基于光纤通信的分布式高速高精度数据采集系统设计

　　0 引言

　　瞬态信号捕获的测试测量工程应用中，通常要求测试设备能够满足高速高精度的数据采集任务，同时被测量信号应分布在一定距离范围内。这就要求测试设备能够执行分布式的采集与传输任务。此外，每个分布点的模拟信号可能有多种类型，因此，单个分布点处的采集模块又需要多通道并行采集。为此，本文给出了基于光纤通信的高性能分布式数据采集系统的设计方法，同时描述了设备的设计、实现及其采样精度的验证方法。

　　1 分布式系统架构

　　本系统的整体结构分为前端和后端两部分，前端是分布式的采集模块，后端采用改进的Compact PCI Express背板传输结构，两部分之间通过光纤通信，图1所示是其结构示意图。

　　在系统前端，采样点分布在较长距离范围内，每个采集模块的设计集成了六个通道，每个通道的16位AD采集率按要求要达到4MSPS，总共的数据量可达到48MB/s，如此大的数据量，一方面要求传输总线的容量要足够大，另一方面要求数据不能因传输过程中的外界噪声而出现高误码率。鉴于此，本设计采用分布式采集、光纤通信的设计方案。这样既能满足高带宽要求，又能使数据(光信号)在传输中不受外界噪声(电信号)影响，从而达到高速高质量数据传输的目的。本设计中每个采样模块都连接有一对光纤通道：其中一根用于下行发送同步信息和配置命令，另一根用于上行传输数据和模块当前配置信息。

　　本系统后端采用改进的CPCI-E背板结构，它集成有CompactPCI (CPCI)、CompactPCI Express (CPCI-E)和实时触发总线等三种总线。其中CPCI总线用于低速传输以及兼容已有功能卡产品;CPCIE总线用于高速数据传输;实时触发总线用于系统内各种板卡的精确同步。本系统内有一张4路PCIE x1的背板，故允许四张实时解算卡同时在系统内工作。每张卡上根据需要又可挂1～4个采集模块。处理卡通过PCIE与主机通信，并通过实时触发总线与系统内其他功能卡同步。实时解算卡向下可通过光纤发送同步信息和配置命令，并对前端由光纤传来的数据进行并行处理，以得到一些参数性的结果，同时也可以将原始数据通过PCIE传输给主机显示并存储。

　　因此，这种分布式的系统结构能有效地解决远距离分布点的多通道采样、数据的高质量高速传输、大量数据的并行实时处理等工程问题。

　　2 系统设计

　　2.1 采样电路设计

　　系统中的采样电路采用ADI公司的16-bitPulSAR差分ADC芯片AD7625，该芯片的采样率最高可达6MSPS，具有93dB的优秀信噪比。

　　AD7625的采样控制与数据输出引脚为串行LVDS接口，可与FPGA上具有LVDS特性的IO口直接相连。AD7625与采样相关的引脚有CNV+/CNV-(IN)、CLK+/CLK-(IN)、D+/D-(OUT)三对LVDS差分信号线。由于前端模块设计为6通道并行采样，因此，可采用自时钟接口模式(SelfClocked Interface Mode)，因为这种模式下可使所有通道共用CNV与CLK信号，因而可节省不少引脚和布线空间。