基于fpga和光纤通信的数据采集系统设计-精品

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1、基于FPGA和光纤通信的数据采集系统设计-精品清华大学2012届毕业设计说明书1绪论1.1本课题的研究背景及意义数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域,比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具[1]。被采集数据是已被转换为电信号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期）对同一信号再次采集，经过采样、转换的信号称为“数据”。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据量测是数据采集的

2、基础。数据采集含义很广，包括对面状连续物理量的采集。在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据，随着雷达、通信以及工业测试等领域中数字信号处理技术的快速发展，数据采集在速度及精度上均提出了更高的要求[2]。FPGA是一种具有丰富的可编程I/O引脚的可编程逻辑器件。具有时钟频率高，内部时延小，运行速度快，组成形式灵活的特点，并能够控制较为复杂的外围器件[3]。可以解决电路系统小型化、低功耗、高可靠性过程中遇到的问题，因此FPGA成为目前高性能数据采集系统主要使用的控制芯片[

3、4]。随着信息化步伐逐渐加快，光纤通信技术已成为现代通信的重要支柱，光纤通信具有传输损耗低、传输频带宽、速率高、重量轻、体积小和抗电磁干扰等优点，光纤传输损耗几乎比同轴电缆和波导低三个数量级，并且在整个频段内其损耗对于任何调制信号都相同，因此光纤成为一种理想信号传输媒介[5]。本文所设计的数据采集系统综合应用了以上两种技术集合两者的优点，在处理数据时使用高性能的FPGA，同时在传输获取的数据上采用光纤传输，提出基于光纤通信的多通道数据采集系统，该课题的研究既有十分广泛的意义。共41页清华大学2012届毕业设计说明书1.2本课题国内外研究现状数据采集

4、和处理系统的控制芯片在不停发展和进步，从原来的单一的单片机发展到数字处理芯片DSP，嵌入式芯片等更高速、高性能的芯片。在高性能数据采集系统中，我们通常采用单片机或DSP做为整个系统的CPU，来控制AD模数转换、存储器以及其他一些外围电路的工作[6]。基于单片机和DSP而设计的数据采集系统都有一定的不足：(1)单片机的时钟频率较低，需要软件支持来实现其功能，软件的运行时间在整个采样时间中占据很大的比例，效率较低，很难适应高速、高精度数据的采集系统的要求。(2)DSP的虽然运算速度快而且擅长处理密集的乘加运算，但是它对外围的复杂硬件进行逻辑控制的功能较

5、差。然而FPGA(现场可编程门阵列)有着单片机和DSP无法比拟的优势。FPGA的时钟频率高，内部时延小；全部的控制逻辑都可由硬件完成，速度快，效率高，适于大数据量的高速传输控制；FPGA的组成形式灵活，而且可集成外围控制、译码和接口等各种电路[7]。随着信息化步伐逐渐加快，光纤通信技术已成为现代通信的重要支柱，在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有三四十年，已

6、经历三代，短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤、采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信，中国光纤通信已进入普及阶段。光通讯是通讯发展的必然方向，光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术[8]。通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频作为载频已达通信载波频率的上限，光是一种频率极高的电磁波，因此用光作为载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，光通信是人们早就追求的目标

7、，也是通信发展的必然方向。对光纤通信而言，超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标，未来的高速通信网将是全光网，全光网是光纤通信技术发展的最高阶段，也是理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化，但在网络结点处仍采用电器件，限制了目前通信网干线总容量的进一步提高，因此共41页清华大学2012届毕业设计说明书真正的全光网已成为一个非常重要的课题。全光网络也是人们不懈追求的梦想[9]。1．3本课题的主要工作及论文的组织结构本论文主要研究基于FPGA和光纤通信的数据采集系统，论文的主要内容是：(1)数据采集系统的基本理论研究；(2)提出了基于

8、光纤通信多通道的数据采集系统总体设计方案及完成外围的硬件电路设计；(3)完成FPGA内部模块设计即软件设计；(4)对系统相