总第180期2009年第6期舰船电子工程
ShipElectronicEngineeringVol.29No.6
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基于FPGA的以太网接口数据采集器设计与实现3赵智勇1) 邹文胜2)(海军驻宜昌地区军事代表室
1) 宜昌 443005
)
(海声科技有限公司
2) 宜昌 443005
)
摘 要 基于FPGA的以太网接口数据采集器为水下声信号的采集和记录及水下声环境的分析提供了一种新的解决方案。着重研究了基于FPGA的以太网接口三通道数据采集和存储记录系统的设计和实现方法。关键词 数据采集;FPGA;以太网;水声环境中图分类号 TN929.3
DesignandImplementationofDataAcquisitionbyEthernetBasedonFPGA
ZhaoZhiyong1) ZouWensheng2)(MilitaryRepresentativeOfficeofNavyStationedinYichangArea1),Yichang 443005)(HaiShengScienceandTechnologyLimitedCompany2),Yichang 443005)
Abstract
ThedataacquisitionmachinebasedonFPGAandEnthernetoffersanewsolutionfortheunderwatersound
signalacquisitionandrecording.Thesolutionalsoprovidestheunderwatersoundenvironmentanalysis.Itemphasizesthedesignandsolutionofthethree-channelsdataacquisitionandstoragesystembasedontheFPGAandEnthernetinterface.Keywords
dataacquisition,FPGA,enthernet,underwaterenvironment
ClassNumber TN929.3
1 引言近年来,随着水声技术和数字信号处理技术的发展,从水下声信号中提取更多有用信息并将其实时采集存储成为数字信号处理应用方向之一。再经过分析和研究水声信号,可充分了解水下声环境并制定有效的信号处理方案,这在水声产品研制前期尤为重要。在此过程中不仅要对模拟信号进行采集、量化(数据采集器),同时还要考虑数据记录接口的通用性。本文介绍了基于FPGA的以太网接口的数据采集器的分析和设计方法,为水下声信号的采集和实时记录及水下声环境的分析提供了一种新的解决方案。2 系统基本结构及设计思想数据采集器分为湿端和干端两部分。湿端由一只二维矢量传感器(内含前置放大器)和一只电罗经组成;干端由后置放大模块、数据转换模块、UDP协议栈模块、以太网接口模块、电源模块组成。干端通过以太网接口与PC机连接,主要功能是将来自矢量传感器的三通道模拟信号数字化,与电罗经的数据打包后通过以太网接口送给PC机,
PC机将数据保存在硬盘中,同时显示三通道的时域波形和频谱及电罗经的真方位;PC机可以控制三通道放大器的增益。数据采集器基本框图如图
3收稿日期:2009年2月17日,修回日期:2009年3月23日作者简介:赵智勇,男,工程师,研究方向:电子技术。邹文胜,男,工程师,研究方向:电子技术。174 赵智勇等:基于FPGA的以太网接口数据采集器设计与实现总第180期1所示。图1 数据采集器基本框图数据采集器其主要设计思想如下:1)选用低功耗、低噪声器件,使系统噪声级位于16bit的3～4bit;2)通道数为3,通道带宽为20Hz～5kHz,通道增益可控;3)使用串行输出A/D,16位分辨率,三通道同步采集;4)使用FPGA(可编程逻辑器件)与A/D接口;5)电罗经与采集器干端通过RS422口连接;6)使用内部含物理层(PHY)的媒体访问控制器(MAC)实现以太网接口;7)网络传输使用UDP协议,在FPGA中用硬件实现UDP协议栈。3 关键模块的设计3.1 采集控制器数据采集器选用一片FPGA作为控制器,在FPGA中实现数据转换控制、UDP协议栈、以太网接口等功能模块。数据转换控制模块完成模拟信号到数字信号的转换、A/D串行数据到并行数据的转换,接受PC机的增益控制命令,并通过D/A控制压控放大器的增益。数据采集器要实现三个通道模拟信号的同步采集并接收电罗经的方位数据,同时还需与媒体访问控制器交换数据,这就要求采集控制器能够提供足够多的输入和输出端口。而FPGA(现场可编程门阵列)的特点是:可使用的端口数量多、内部逻辑可按使用需要编程、非常少的外围支持器件。采用FPGA作为采集控制器可以使系统设计简单、可靠,并且有很强的灵活性[1～2]。系统中FPGA选用Altera公司CYCLONE系列中的EP1C6Q240作为采集控制器。CY2CLONE系列采用了新的可编程逻辑架构,具有低功耗等特点[3]。3.2 UDP协议栈UDP是一种简单的面向报文的传输层协议,不提供可靠性支持,它把应用程序交下来的报文添加首部后向下交付给IP层发送出去。虽然UDP
不保证可靠交付,但是它占用的资源较少,瞬时数据量波动较小,对网络带宽的利用能力较好。在数据传输需要保证实时性时可以通过设计应用层协议提高UDP的传输质量,如可用采用冗余法:在发送端的数据流中加入冗余信息,接收端利用这些冗余信息,可恢复丢失的数据包,在带宽允许的情况下,只要误差在可接受的范围,UDP方式可以满足实时数据传输的要求。因此本文选用UDP协议。在PC机中,协议栈是由软件实现,因为PC机的主频很高,所以协议栈的效率比较高,数据传输速率就比较高。在FPGA中可实现的软处理器主频较低,其软件协议栈的效率就很低,数据传输速率就较低。必须在FPGA中用硬件逻辑来实现协议栈才能使协议栈的效率满足要求。TCP/IP协议栈是一个四层协议系统,每一层负责不同的功能。发送数据时根据每一层的协议将数据封装本层协议中并送往下一层协议,最后将封装好的数据送往以太网控制器,以太网控制器按照规定的速率将数据发送出去,接收数据是一个解封装的过程。UDP协议封装和解封装的过程如图2所示[4]。
图2 UDP协议栈封装和解封装过程3.3 以太网接口以太网控制器(NIC)选用的是SMSC公司为嵌入式的快速以太网应用而设计的第三代NIC
LAN91C111,其内部含有一个用于双绞线传输的100Base2TX/10Base2T物理层PHY,还有一个用于与外部PHY连接的MII媒体独立接口[5]。
图3 LAN91C111的32位方式读写时序 LAN91C111支持8位、16位和32位的主机接口,为了提高数据交换的效率,FPGA与MAC2009年第6期舰船电子工程175
图4 LAN91C111的32位方式写时序仿真之间采用32位方式接口[6]。图3为32位方式读写时序,图4为写时序仿真。
4 数据记录和显示数据的存储、记录和显示在PC机上完成。PC
机按照BIN文件的格式将收到数据保存在硬盘上,同时将原始数据解包。实时显示电罗经的真方位和通道增益,实时显示三通道的时域波形。在操作界面上可以选择显示任一通道的频谱LOFAR
图。通过观察时域波形,可以判断通道的增益是否合适,并可通过操作界面对增益进行调整。数据的存储记录和显示程序使用BorlandC+
+Builder6开发完成。
5 结语本文详细地阐述了基于FPGA的多通道数据
采集系统的设计及FPGA和以太网控制器接口的方法。在设计过程中充分利用了FPGA开发平台QUARTUSⅡ的仿真功能对每个功能模块进行了正确性验证;在调试过程中利用WinPcap软件捕获网络数据包的功能使网络的调试工作变得简单,
确保了系统设计和实现的顺利完成,性能指标达到了预期要求。
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(上接第148页)5 结语数字校园管理规划系统将为校园规划、管理提供了最直观的表现形式。系统采用三维成像、虚拟现实技术实现进行三维场景的漫游功能,将校园景观三维可视化,既可以为校园树立良好的形象,让用户足不出户就可了解校园环境和有关介绍信息,
体验身临其境的感受;还可以作为校园规划管理的有力工具,从而提高校园管理的现代化水平。与此同时,在将其与校园的有关信息相结合后,可以改掉过去呆板的二维界面,提供给用户一个三维可视化的、有声有色的信息介绍与查询环境。
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