一种基于FPGA的同步采集传输系统设计_刘雨聪.pdf
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1、2022年第46卷第12期108器 件 与 应 用器 件 与 应 用arts and ApplicationsP文献引用格式:刘雨聪,綦俊峰.一种基于 FPGA 的同步采集传输系统设计 J.电声技术,2022,46(12):108-111,115.LIU Y C,QI J F.A design of synchronous acquisition and transmission system based on FPGAJ.Audio Engineering,2022,46(12):108-111,115.中图分类号:TN912.2 文献标识码:A DOI:10.16311/j.audioe.
2、2022.12.026一种基于 FPGA 的同步采集传输系统设计刘雨聪,綦俊峰(中国船舶集团有限公司第七一五研究所,浙江 杭州 310023)摘要:介绍一种多通道同步采集、长距离级联传输的低功耗、小型化采集传输系统。系统的采集传输部分主要以现场可编程逻辑门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)为主控单元,结合外围控制电路将模拟信号采集打包后,经多点低电压差分信号(MultipointlowVoltageDifferentialSignaling,MLVDS)总线传输至桥接板转换为百兆以太网后上传至上位机进行数据分析与处理。采用此采集传输系统方案设计,能有效地完成
3、多路通道的同步采集传输,实现接收阵小型化设计。关键词:同步采集;现场可编程逻辑门阵列(FPGA);多点低电压差分信号(MLVDS);传输系统A Design of Synchronous Acquisition and Transmission System Based on FPGALIU Yucong,QI Junfeng(The 715th Research Institute of China State Shipbuilding Corporation Limited,Hangzhou 310023,China)Abstract:This paper introduces a low
4、 power consumption and miniaturized acquisition and transmission system with multi-channel synchronous acquisition and long-distance cascade transmission.The acquisition and transmission part of the system mainly uses Field Programmable Gate Array(FPGA)as the main control unit,combines with the peri
5、pheral control circuit to collect and package the analog signal,and then transmits it to the bridge board via Multipoint low Voltage Differential Signaling(MLVDS)bus,converts it to a 100 Gigabit Ethernet,and then uploads it to the upper computer for data analysis and processing.The design of the acq
6、uisition and transmission system can effectively complete the synchronous acquisition and transmission of multiple channels and realize the miniaturization design of the receiving array.Keywords:synchronous acquisition;Field Programmable Gate Array(FPGA);Multipoint low Voltage Differential Signaling
7、(MLVDS);transmission system0 引 言在近三四十年内,西方发达国家的潜艇辐射噪声级大约以每年 0.5 1 dB 的速度降低1。为了能高效探测水面和水下目标,拖线阵声呐的性能要求越来越高。而传输网络作为拖线阵声呐的重要组成部分,其小型化和低功耗设计就显得尤为重要。本文介绍了一种基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的采集传输系统方案设计。该方案主要由小尺寸、低功耗的多通道模拟数字处理模块组成,通过级联方式搭建传输网络,实现水听器信号的采集传输功能。1 系统总体设计方案采集传输系统主要由多路模拟数字处理模块(Ana
8、log Digital Processing Module,ADPC)、桥 接板和上位机组成。ADPC 模块通过级联的方式构建传输网络,对水听器输出经前置放大后的模拟信号进行采集,将其转换为数字信号后通过多点低电压差分信号(Multipoint low Voltage Differential Signaling,MLVDS)链路上传至桥接板,通过桥接板转换为网络信号送至上位机,由上位机对信号进行处理和分析。总体方案如图 1 所示。模拟数字处理模块(ADPC)主要分为两个2022年第46卷第12期109Parts and ApplicationS器 件 与 应 用器 件 与 应 用部分:一是模
9、拟信号经过程控增益预处理电路后由 ADC 转换电路转为数字信号送至 FPGA;二是FPGA 及其外围电路,FPGA 作为主控单元,负责对模数转换芯片和增益控制部分 FET 总线开关的软件控制,对采集进 FPGA 的模拟信号部分进行内部的 FIFO 缓存,把采集到的数据通过 MLVDS 总线以级联的方式送至桥接板。为确保各路通道的同步采样,采集时钟由桥接板进行控制发送,即在全系统上电后,桥接模块等待一段固定的时间,以此来确保各个 ADPC 模块的程序加载完毕且完成相应的配置,然后再打开采集时钟,通过 MLVDS 总线发送给各个 ADPC 模块。ADPC 模块在同一个主时钟信号作用下进行同步采样,
10、完成采样后将 4 通道的采样点数据进行打包上传。同时,为了减少阵内导线数量,下行增益控制命令通过编码与时钟复用。桥接板的 FPGA 主要负责控制 MLVDS 接口实现对采集时钟和增益控制命令的下传、湿端数据的接收,并进行 FIFO 缓存,将数据进行整理转换,通过百兆以太网上传至上位机。下面主要对 ADPC模块设计进行介绍。2 硬件设计一个 ADPC 模块实现四路模拟信号的接收、放大、调理、模数转换和局域传输。该模块采用了超低噪声、高分辨率和高精度设计,并在性能和低功耗进行了权衡,满足适装性要求,并在此基础上进行预处理和信号采集数字化一体设计和整个模块的单电源供电设计,达到降低阵内连接导线数量,
11、节省安装空间的目的。信号的调理部分包括一阶高通滤波和运放放大。输入信号采用差分输入,运放采用 TI 公司的THS4524。这是一款专门为低功耗数据采集系统和高密度应用而设计的轨对轨输出全差分放大器。其内部集成了 4 片运算放大器,带宽高达 145 MHz,具有低噪声、低功耗、输出共模控制等特点。本方案对该运放采用单电源+5 V 供电,输入信号与一个参考直流电平相耦合,轨对轨输出驱动-型的 ADC 芯片以实现简化电路设计,从而满足小型化设计需求。模拟开关选用的关键是切换速度2。本文选用TI 公司的 SN74CBT3244 芯片作为模拟开关。该芯片具有-2 V下冲保护和2个控制输入的5 V、11前
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