高速采集测试系统设计中FPGA的运用分析

摘 要

数据采集技术已经普遍应用在通讯、雷达、医疗器械等方面，然而很多系统都是极易受到电磁干扰，而且价格较高，安装程序复杂。本文先分析数据采集概述，然后详细阐述将FPGA运用于数据采集系统中的总体框架以及各模块设计，最后介绍了系统的性能测试方法。

【关键词】数据采集 FPGA 性能测试

1 前言

数据采集指的是采集待测设备温度、压力、振动、位移等各种模拟量，然后通过数模变换器将其转换为数字量，然后进行自动处理以及分析的一系列过程。数据管理系统中的数据采集模块对系统的数据收集，并且结合目的IP以及源IP两个地址来进行处理，然后将处理结果传输至检测模块。于此同时，采集模块可直接执行维护模块的发出的指令，针对指令进行相应的操作。现阶段，数据采集已经普遍应用在航空、医疗、通信、遥控、雷达等多方面。采用数据采集系统不仅采集生活中的大量数据信息，而且可以采集工业生产的信息数据，进而为降低成本工作提供信息数据。研究表明，FPGA能够很好弥补DSP以及单片机的缺点，具有同步性以及实时性优点。此外，它具有多种存储方式，灵活设计，而且具有丰富I/O资源，可显著调工作效率。本文对此进行深入研究，分析FPGA的运用分析。

2 数据采集概述

简而言之，数据采集指的是把从待检测设备搜集到的各种模拟信号转变成数字信号，而且进行显示、保存等处理的一些列过程中。由此可见，采集系统并非是等同于线路采集，而且还要进行加工处理，通过计算进行保存、显示。研究表明，采集系统是具有分发以及导入数据的作用，同时接口允许分光器，经规定的访问列表控制顺序进行对比，然后再分发，并且依据访问控制列表把数据分配到检测模块，以达到检测数据的目的。采集系统主要工作的是采集待检测设备的数据，并且进行快速处理，将处理的结果存储于系统的数据库，为实时查询数据提供便利。系统中的数据层中含有基础数据库，用户管理层中含有统计报告、管理、操作维护等模块，其中统计报告模块可允许用户根据具体需要来定义报表，充分发挥统计分析的作用，并且通过WEB服务端呈现出来，具有人性化、便于操作等特点。

现阶段，关于数据存储、采集的系统很多，在硬件、软件配置上都存在很大差异。例如，在输出接口方面，包括网络接口、USB、VGA、并口等多种接口；在存储介质方面，包括固态硬盘、闪存卡、ROM、RAM等；在控制单元方面，包括OMAP、ARM、FPGA、DSP等。目前，很多采集卡的每秒钟速度已经超过80千兆。

3 总体框架以及各模块设计

3.1 总体框架

本系统由电平转换、FPGA、A/D等部分组成，其中本系统在实际应用过程中，该种部署方式通常是采用单臂路。其中的设备是通过单臂方式连接网络中的核心交换机，并非直接串联在网络中，通过交换机中的策略路由实现对数据管理的目的。实践表明，该种方式在不变动原来的网络架构的情况下，都可自由地撤离网络设备或者添加网络设备。在数据包转发中，系统监听分析及处理数据包中的数据内容，可以匹配系统策略管理器预先定义好的策略来进行用户的所有访问控制。但是，采用该种方式不仅会增加一层网络设备，明显增加了数据时延。本次研究的计算机、系统间是采用RS232串口进行连接。一旦系统出现故障，具有便捷的逃生机制，缩短故障的处理时间。在策略路由的基础上，核心交换机只需对路由进行调整，无需对网络架构进行修改，全部控制逻辑均是通过硬件电路完成的，而且都集成于FPGA芯片内，而且不必采用外部设备进行存储。将FPGA应用在该系统中，具体流程：首先，把采集到的模拟信号进行转化，而这工作需要A/D模块完成，有利于FPGA对收集到的数据进行分析；其次，待数据处理完成后，存储器会进行缓存，而且FPGA采用串口通信将分析结果发送。最后，FPGA利用相关软件进行数据保存，而且以友好界面形式显示出来，有利于帮助用户数据分析。

3.2 各模块设计

系统主要含有以下部分：一是A/D模块。待检测设备的温度、压力等模拟信号进入到此模块前，信号调理电路能结合ADC芯片的情况来选取恰当的运算放大器以及变压器，进而符合芯片的数据输入条件，最大限度保证模拟信号的准确性，从而将准确数据输送至ADC芯片中。系统选取AD9233模数转换芯片作为该模块芯片，它属于一种单芯片，精度高达12位，具有80MSPS、105MSPS、125MSPS三种不同的转速率，成本相对较低，普遍应用在医疗超声、成像、通信等方面。当速率为125 MSPS，它可确保精度达到12位，而且确保在适当温度内不存在失码的情况。二是FIR。系统的FIR选取的是由Altera 公司生产的，对噪声具有明显抑制效果，同时也可防止工作环境中一些高频信号的干扰。三是FPGA 模块。此模块是核心，通过相关程序代码产生各种信号，同时协助A/D 模块完成采样工作，并且具有数据存储作用。四是SDRAM。实践表明，SDRAM成本较低，而且具有较高的工作频率，能够满足高速数据采集的需要。然而，值得注意的是，SDRAM具有复杂繁琐的控制逻辑，因此需要设计者进行重点设计。五是USB 转串口电路。六是逻辑控制。在控制数据的过程中，目前应用最最广泛的控制技术为TCP整形技术。该项技术利用窗口滑动原理，对传输过程中数据包形式以及大小进行调整，同时接受数据的一方可告知对方自身能容纳的数据量的最高限额，然后数据发送方依据接收方的情况对数据包进行调整。队列技术通常在大数据情况下应用，依据优先级进行区别，接着进行公平排队。所以，大部分情况下，队列技术能产生较好的控制效果。实践表明，在大数据的情况下，TCP整形技术控制数据的效果不如队列技术。DPI建立在网络应用层的基础上的一种控制、检测数据的技术，利用“特征字”来实现进一步的分析。通过网络数据监控，可实现以下三个目的：一是对数据大小进行监控。监控系统可监控骨干链路情况，原因在于中继器链路影响到成本大小。二是对数据构成进行监控：系统可对数据进行分类，并且显示各种数据占据的比重，以直观形式传达给用户。通常情况下，系统向用户提供常见的STMP、POP3、DNS、HTTP等，而通常利用其它替代一些非正规的业务。现阶段，VoIP、P2P是监测热点，并且占据比重逐渐上升。三是检测异常数据：倘若存在蠕虫病毒攻击，则系统会实现快速定位，并且将其有效隔离。

4 性能测试

4.1 测试前准备

任何程序研发后，在测试过程中均可能出现各种错误，或者存在构架问题，但是在研发系统过程中，程序员难以察觉。为此，研发后的程序需要进行多次的测试，不断对比测试结果，剖析不合理情况产生的原因，并且分析研究是否存在不合理之处。实践表明，通过测试可监测研发的程序是否存在缺陷，针对存在的不足，需要经过反复测试，并且不断改进，以达到提高程序质量的目的。本测试旨在发现程序中的错误以及不合理之处，进而有效提高系统的安全性、可靠性以及稳定性。为了全面测试本系统，忽略其中的功能特性以及内部构架，采用黑盒测试该系统，检测其中的全部程序接口，检验每个功能是否可以正常运行，是否符合研发的标准，主要针对系统界面和系统功能进行测试。本测试主要目的在于检查系统的安全性、稳定性，通过反复测试来评估系统的性能，评价系统是否都满足用户的需要。需要对整个系统的各个功能进行全面测试，检查是否出现逻辑错误，是否取得预期的效果，有利于帮助研发员发现其中的缺陷，并且进行改进，帮助开发人员分析系统逻辑上的冗余从而对系统进行优化，最终提升系统完成度，满足用户需求。首先，对底层模块进行逻辑及功能性测试，确定底层数据操作可以正确运行；对系统功能模块进行逻辑性、功能性测试，以及系统功能各接口正常运行，确定系统功能正确运行。其次，对安全性能进行测试，确认系统安全性；对系统进行压力测试。最后，根据测试报告对系统进行修改或优化。黑盒测试，也就是我们常说的功能测试，利用外部测试对每个功能进行测试。在功能测试期间，程序软件就是这个黑盒，测试人员在忽略程序的内部构架以及特性的前提下，对每个接口进行测试。值得注意的是，黑盒测试只是依据说明书的要求来检查研发的系统是否正常应用，程序是都可以准确读取数据。可见，黑盒测试忽略其中的内部逻辑，侧重程序外部的构架来测试软件功能以及界面情况。

测试设备包括调试软件、示波器、万用表、FPGA下载等设备，其中调试软件具有软件开发的作用；直流线性稳压电源为整个系统运行提供稳定的电源；信号发生器用来形成信号；示波器采集波形；万用表测试系统电路；FPGA下载具有下载程序的作用。

4.2 测试结果

将FPGA应用数据采集系统中，具有以下3个优点：

（1）收集完整、准确的数据。要达到准确记录数据情况，研发人员应当充分应用先进的采集技术。然而，在现实情况中，误差肯定存在，所以应当控制误差在一定的范围。

（2）稳定性较高。在流量采集过程中，研发人员应当设置一个稳定性较强的后台保障。

（3）便于维护：将管理系统划分为几个小模块，若发生故障，则只要查找对应的模块，并且进行维修。经过黑盒测试，测试结果表明，所研发的系统满足用户对基本需求，各个模块也充分发挥其中的作用，达到数据管理的目的，可将其应用于实践。

5 结束语

高速数据采集系统在地震探测、通信、航天等方面得到应用，而人们对数据传输速率、存储等方面要求不断提高，因此工作人员的重点工作是对数据进行连续、高速以及实时保存。本次研究将FPGA应用在该系统中，设置A/D模块、逻辑控制、FIR、SDRAM等部分，可得到预期效果，能够满足用户需要。

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作者简介

葛萍（1976-），女，山东省蓬莱市人，大学本科学历。现为91550部队工程师。研究方向为武器系统发射技术及测量录取。

作者单位

91550部队 辽宁省大连市 116023