吳明鋒

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基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳明鋒

丹東百特儀器有限公司，遼寧 丹東 118009

為了實(shí)現(xiàn)頻譜數(shù)據(jù)的高速采集和頻譜信息的快速提取，研究了一種基于FPGA的靜態(tài)干擾結(jié)構(gòu)的高速頻譜采集系統(tǒng)。通過濾波、傅立葉變換和光譜校正，得到了靜態(tài)干涉條紋的光譜分布信息。實(shí)驗(yàn)對(duì)655?nm半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了光譜分析，并對(duì)不同深度條件下的傅立葉變換產(chǎn)生的光譜進(jìn)行了比較。當(dāng)固定點(diǎn)為12位時(shí)，譜數(shù)據(jù)反演完成，轉(zhuǎn)化率高。同時(shí)，將測(cè)試數(shù)據(jù)與MATLAB的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的光譜反演結(jié)果與MATLAB基本一致。

光譜數(shù)據(jù)處理；高速采集；FPGA；點(diǎn)位值

引言

隨著光譜技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的應(yīng)用程序已經(jīng)通過光譜分析設(shè)備來檢測(cè)未知光源光譜特性，所以對(duì)光譜分析設(shè)備性能得要求也越來越高，包括干涉條紋數(shù)據(jù)的采集以及高速處理[1]。光譜測(cè)試系統(tǒng)主要分為光柵衍射和靜態(tài)干擾兩大類。由于光柵衍射圖中存在入射狹縫，光通量低，靜態(tài)干涉圖更適合于室外光譜識(shí)別。為了開發(fā)和設(shè)計(jì)一種能夠高速采集和處理干涉條紋的處理系統(tǒng)，需要選擇合適的數(shù)字處理器。FPGA作為一種由硬件編程的高速加工芯片，非常適合高速光譜數(shù)據(jù)的處理。因此，采用FPGA實(shí)現(xiàn)干涉條紋和傅立葉變換的實(shí)時(shí)處理，不僅速度快，而且穩(wěn)定，對(duì)其他處理系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)光從準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后，進(jìn)入干涉棱鏡。通過干涉棱鏡，初始光被干擾。通過高速采集電路將干涉條紋的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入FPGA，然后通過FPGA獲得頻譜分布。根據(jù)傅立葉光學(xué)理論，當(dāng)被測(cè)光通過準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入干涉棱鏡時(shí)，它被分成兩束。兩個(gè)光束被一個(gè)分束鏡分開，然后再次聚集在一起。然后對(duì)靜態(tài)干涉條紋進(jìn)行濾波、裁剪、FFT和FPGA標(biāo)定，將空間信息轉(zhuǎn)化為光譜信息[2]。其中，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)分為三個(gè)區(qū)域：靜態(tài)干涉條紋的采集區(qū)、光譜分布的反演區(qū)和光譜分布的顯示區(qū)。

為了實(shí)時(shí)獲取光譜數(shù)據(jù)信息，需要以高于處理速度的速度采集干涉條紋，同時(shí)要求采集模塊與處理模塊之間的速率匹配。因此，在傅立葉變換之前，應(yīng)加快數(shù)據(jù)傳輸速率。在本系統(tǒng)中，如果輸入傅立葉變換的1幀數(shù)據(jù)可以連續(xù)讀取，轉(zhuǎn)換速率應(yīng)為0.5?MHz，轉(zhuǎn)換速率應(yīng)在兩個(gè)不同的時(shí)鐘域中工作。因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)讀寫異步數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。讀取時(shí)鐘為1.0?MHz，寫入時(shí)鐘為0.5?MHz，數(shù)據(jù)深度為1?024。

2 光譜分布的反演

2.1 理論依據(jù)

靜態(tài)干涉條紋是一種通過空間分布來傳輸光譜信息的方法。與傳統(tǒng)的邁克耳遜干涉系統(tǒng)不同，它的光譜分布數(shù)據(jù)在空間分布干涉條紋同時(shí)不受時(shí)間的影響，非常適合高速光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。以2為基數(shù)提取的形式，將N個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)N/2點(diǎn)序列，分別完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)這種方法，兩個(gè)分解后的序列可以再分解為4個(gè)N/4點(diǎn)序列，直到分解到最后一層，通過Butterfly操作將干涉條紋轉(zhuǎn)換為光譜信息。

2.2 FFT

該模塊根據(jù)采集靜態(tài)干涉條紋的要求和探測(cè)器的特點(diǎn)，采用1024點(diǎn)流水線，采用Xilinxvirtex2-pro系列處理系統(tǒng)，構(gòu)建了實(shí)時(shí)靜態(tài)干涉條紋采集和光譜分布反演的硬件結(jié)構(gòu)。該模塊使用IP核完成FFT，其轉(zhuǎn)換形式基于基本的-2時(shí)間模型。FFT中的蝶式操作位深度由控制位設(shè)置，控制位由1?024點(diǎn)單通道管道結(jié)構(gòu)組成，選擇10?bit數(shù)據(jù)位。在本計(jì)算裝置中，使用兩個(gè)輔助RAM存儲(chǔ)中間變量的結(jié)果，以減少FPGA資源占用RAM，提高系統(tǒng)的處理速度。最后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)硬件乘法器和四個(gè)RAM存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)操作和處理，保證了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度。在80?MHz的基本頻率條件下，只需要32?s就可以完成1?024點(diǎn)的FFT。同時(shí)，不同深度數(shù)據(jù)的FFT測(cè)試的仿真分析，分別結(jié)果表明，針對(duì)處理速度的影響比較明顯，8位最快，10位快，12位慢，但8位的中心波長(zhǎng)反演結(jié)果振幅小，信噪比低，和10位和12位振幅譜信噪比更高，是類似的，推理的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性為了保證光譜反演的同時(shí)，選擇10位深度，在接下來的實(shí)驗(yàn)中還將進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)比分析。

2.3 系統(tǒng)固件控制邏輯設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

FPGA芯片中的固件控制邏輯指的是通過將開發(fā)軟件中編寫好的VerilogHDL代碼在開發(fā)軟件中進(jìn)行綜合布局布線之后，將生成的流文件燒寫到FPGA芯片中，使芯片中形成產(chǎn)生特定控制作用的電路。固件控制邏輯的設(shè)計(jì)是整個(gè)基于PCE的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分。本系統(tǒng)的固件控制邏輯分為ADC控制器、DDR3控制器、POE總線傳輸控制器和進(jìn)行跨時(shí)鐘域和跨數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換的前后端FIFO。針對(duì)實(shí)現(xiàn)DDR3控制器高效讀寫的難點(diǎn)，通過連續(xù)讀寫的方式設(shè)計(jì)DDR3控制器固件控制邏輯，包括MIG模塊配置設(shè)計(jì)和用戶讀寫接口模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效緩存讀寫功能；針對(duì)PCIE總線傳輸控制器設(shè)計(jì)集成度低、時(shí)序處理復(fù)雜的難點(diǎn)，通過理解PCIE總線的體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)行級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)DMA接口實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸功能。

2.4 DDR3控制器固件控制邏輯設(shè)計(jì)

在無人機(jī)定位與入侵檢測(cè)、超聲波無損檢測(cè)和風(fēng)洞測(cè)試等領(lǐng)域，常使用多通道的ADC進(jìn)行采樣。就100?MSPS采樣率的ADC控制器而言，在48通道情況下，ADC控制器可達(dá)到48?GB/s的輸出帶寬。根據(jù)1.2的敘述，PCIER*8通道總線的傳輸帶寬理論最大值為32?GB/s，因此出于數(shù)據(jù)傳輸完整性的考慮，需要DDR3大容量緩存模塊進(jìn)行緩存。本設(shè)計(jì)通過設(shè)計(jì)DDR3緩存控制器，來驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的緩存和傳輸能力，從而使系統(tǒng)能夠滿足無人機(jī)定位與入侵檢測(cè)、超聲波無損檢測(cè)和風(fēng)洞測(cè)試等場(chǎng)景中多通道采樣和數(shù)據(jù)預(yù)處理之后產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)高速傳輸需求。如何通過DDR3控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從FPGA芯片到DDR3 SDRAM的高速讀寫，是DDR3控制器中設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

為了更好地處理光測(cè)量的光譜分布，利用MATLAB對(duì)同一組干涉條紋進(jìn)行分析比較。在實(shí)驗(yàn)中，采用850?nm半導(dǎo)體激光器作為光源、Virtex-II系列FPGA處理系統(tǒng)、干涉棱鏡等，利用系統(tǒng)模塊對(duì)相同的干涉條紋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行8?bit、10?bit和12?bit深度的測(cè)試。隨著位深度設(shè)置的增加，F(xiàn)FT后的峰值振幅也隨之增大，信噪比也隨之增大[3]。當(dāng)比特深度增加時(shí)，中心波長(zhǎng)的峰值變尖，半寬度變窄。三種情況下，雖然波形發(fā)生變化，但是中心波長(zhǎng)的位置保持不變，中心波長(zhǎng)的峰值變尖，半寬變窄。這三個(gè)案例雖然波形變化，但中心波長(zhǎng)位置是相同的，不同深度條件下積累的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該位深度增加了信號(hào)疊加效應(yīng)，以提高信噪比，但沒有影響波長(zhǎng)分辨率、波長(zhǎng)分辨率在這里主要是由靜態(tài)決定的等效角棱鏡干涉。為了提高信噪比可以增加適當(dāng)?shù)纳疃?，但隨著深度的增加也帶來了一些問題：深度系統(tǒng)數(shù)據(jù)量越大，越大處理速度比較慢，大大影響了實(shí)時(shí)測(cè)試的能力，所以我們需要在實(shí)際的過程中選擇位深度妥協(xié)，比較8位、10位、12位的結(jié)果，10位采用硬件編程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

兩種方法得到的激光光譜中心波長(zhǎng)為655?nm，但光譜形態(tài)不同。傳統(tǒng)的MATLAB反演方法在低頻噪聲和峰值低的情況下得到的結(jié)果比較大。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種快速光譜采集和處理的結(jié)構(gòu)，并完成了一個(gè)由FPGA控制的高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)靜態(tài)干涉條紋的高速處理，采用硬件編程方法完成堆積和蝴蝶操作，最后通過光譜標(biāo)定再現(xiàn)光譜分布。利用Moswlaim完成采集和光譜反射率的仿真分析，并與MATLAB軟件進(jìn)行光譜重構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能較好地完成光譜分布的重構(gòu)，同時(shí)運(yùn)行速度快，適用于高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

[1]郭柳柳，甄國(guó)涌，劉東海. 基于FPGA高速圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及顯示設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（11）：75-77，84.

[2]龔壘. 基于FPGA的高速光纖通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

[3]劉吉，楊德偉，文懷濤，等. 基于USB通信的FPGA高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（10）：186-188，192.

Design and Implementation of High-Speed Data Acquisition System Based on FPGA

Wu Mingfeng

Dandong Bettersize Instrument Co., Ltd., Liaoning Dandong 118009

In order to achieve high speed acquisition of spectrum data and the rapid extraction of spectrum information, a high-speed spectrum acquisition system based on static interference structure of FPGA is studied. The spectral distribution information of static interference fringes is obtained through filtering, Fourier transform and spectral correction. Spectral analysis of 655?nm semiconductor lasers is carried out, and the spectra produced by Fourier transform at different depths are compared. When the fixed point is 12 bits, the inversion of spectral data is completed and the conversion rate is high. At the same time, the test data are compared with the simulation data of MATLAB. The experimental results show that the spectral inversion results of the system are basically the same as those of MATLAB.

spectral data processing; high speed acquisition; FPGA; spot value

TP274+.2

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