基于光纖通信的分布式高速高精度數據采集系統設計

摘要：介紹了一個(gè)高精度、高信噪比的遠距離分布式多通道數據采集系統的設計方法。該系統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責對模擬信號進(jìn)行采樣并在抗混疊數字濾波后，通過(guò)光纖通道將數據傳給后端的實(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(xiàn)擬合法測試表明，該采集系統的采樣誤差小于0．1％。
關(guān)鍵詞：光纖通信；分布式；高精度；數據采集；CompactPCI Express

0 引言
瞬態(tài)信號捕獲的測試測量工程應用中，通常要求測試設備能夠滿(mǎn)足高速高精度的數據采集任務(wù)，同時(shí)被測量信號應分布在一定距離范圍內。這就要求測試設備能夠執行分布式的采集與傳輸任務(wù)。此外，每個(gè)分布點(diǎn)的模擬信號可能有多種類(lèi)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據采集系統的設計方法，同時(shí)描述了設備的設計、實(shí)現及其采樣精度的驗證方法。

1 分布式系統架構
本系統的整體結構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背板傳輸結構，兩部分之間通過(guò)光纖通信，圖1所示是其結構示意圖。

在系統前端，采樣點(diǎn)分布在較長(cháng)距離范圍內，每個(gè)采集模塊的設計集成了六個(gè)通道，每個(gè)通道的16位AD采集率按要求要達到4MSPS，總共的數據量可達到48MB／s，如此大的數據量，一方面要求傳輸總線(xiàn)的容量要足夠大，另一方面要求數據不能因傳輸過(guò)程中的外界噪聲而出現高誤碼率。鑒于此，本設計采用分布式采集、光纖通信的設計方案。這樣既能滿(mǎn)足高帶寬要求，又能使數據(光信號)在傳輸中不受外界噪聲(電信號)影響，從而達到高速高質(zhì)量數據傳輸的目的。本設計中每個(gè)采樣模塊都連接有一對光纖通道：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據和模塊當前配置信息。
本系統后端采用改進(jìn)的CPCI-E背板結構，它集成有CompactPCI (CPCI)、CompactPCI Express (CPCI-E)和實(shí)時(shí)觸發(fā)總線(xiàn)等三種總線(xiàn)。其中CPCI總線(xiàn)用于低速傳輸以及兼容已有功能卡產(chǎn)品；CPCIE總線(xiàn)用于高速數據傳輸；實(shí)時(shí)觸發(fā)總線(xiàn)用于系統內各種板卡的精確同步。本系統內有一張4路PCIE x1的背板，故允許四張實(shí)時(shí)解算卡同時(shí)在系統內工作。每張卡上根據需要又可掛1～4個(gè)采集模塊。處理卡通過(guò)PCIE與主機通信，并通過(guò)實(shí)時(shí)觸發(fā)總線(xiàn)與系統內其他功能卡同步。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，并對前端由光纖傳來(lái)的數據進(jìn)行并行處理，以得到一些參數性的結果，同時(shí)也可以將原始數據通過(guò)PCIE傳輸給主機顯示并存儲。
因此，這種分布式的系統結構能有效地解決遠距離分布點(diǎn)的多通道采樣、數據的高質(zhì)量高速傳輸、大量數據的并行實(shí)時(shí)處理等工程問(wèn)題。