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

摘要：介紹了一個高精度、高信噪比的遠距離分布式多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方法。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責對模擬信號進行采樣并在抗混疊數(shù)字濾波后，通過光纖通道將數(shù)據(jù)傳給后端的實時解算卡做進一步的并行解算與分析處理。經(jīng)最小二乘曲線擬合法測試表明，該采集系統(tǒng)的采樣誤差小于0．1％。
關鍵詞：光纖通信；分布式；高精度；數(shù)據(jù)采集；CompactPCI Express

0 引言
瞬態(tài)信號捕獲的測試測量工程應用中，通常要求測試設備能夠滿足高速高精度的數(shù)據(jù)采集任務，同時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(zhí)行分布式的采集與傳輸任務。此外，每個分布點的模擬信號可能有多種類型，因此，單個分布點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)的設計方法，同時描述了設備的設計、實現(xiàn)及其采樣精度的驗證方法。

1 分布式系統(tǒng)架構
本系統(tǒng)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，后端采用改進的Compact PCI Express背板傳輸結構，兩部分之間通過光纖通信，圖1所示是其結構示意圖。

在系統(tǒng)前端，采樣點分布在較長距離范圍內，每個采集模塊的設計集成了六個通道，每個通道的16位AD采集率按要求要達到4MSPS，總共的數(shù)據(jù)量可達到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)不能因傳輸過程中的外界噪聲而出現(xiàn)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。這樣既能滿足高帶寬要求，又能使數(shù)據(jù)(光信號)在傳輸中不受外界噪聲(電信號)影響，從而達到高速高質量數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。本設計中每個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(shù)據(jù)和模塊當前配置信息。
本系統(tǒng)后端采用改進的CPCI-E背板結構，它集成有CompactPCI (CPCI)、CompactPCI Express (CPCI-E)和實時觸發(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；實時觸發(fā)總線用于系統(tǒng)內各種板卡的精確同步。本系統(tǒng)內有一張4路PCIE x1的背板，故允許四張實時解算卡同時在系統(tǒng)內工作。每張卡上根據(jù)需要又可掛1～4個采集模塊。處理卡通過PCIE與主機通信，并通過實時觸發(fā)總線與系統(tǒng)內其他功能卡同步。實時解算卡向下可通過光纖發(fā)送同步信息和配置命令，并對前端由光纖傳來的數(shù)據(jù)進行并行處理，以得到一些參數(shù)性的結果，同時也可以將原始數(shù)據(jù)通過PCIE傳輸給主機顯示并存儲。
因此，這種分布式的系統(tǒng)結構能有效地解決遠距離分布點的多通道采樣、數(shù)據(jù)的高質量高速傳輸、大量數(shù)據(jù)的并行實時處理等工程問題。