基于光纤通信的分布式高速高精度数据采集系统设计

摘要：介绍了一个高精度、高信噪比的远距离分布式多通道数据采集系统的设计方法。该系统由前端采集模块和后端解算卡组成，其中前端分布式采集模块负责对模拟信号进行采样并在抗混叠数字滤波后，通过光纤通道将数据传给后端的实时解算卡做进一步的并行解算与分析处理。经最小二乘曲线拟合法测试表明，该采集系统的采样误差小于0．1％。
关键词：光纤通信；分布式；高精度；数据采集；CompactPCI Express

0 引言
瞬态信号捕获的测试测量工程应用中，通常要求测试设备能够满足高速高精度的数据采集任务，同时被测量信号应分布在一定距离范围内。这就要求测试设备能够执行分布式的采集与传输任务。此外，每个分布点的模拟信号可能有多种类型，因此，单个分布点处的采集模块又需要多通道并行采集。为此，本文给出了基于光纤通信的高性能分布式数据采集系统的设计方法，同时描述了设备的设计、实现及其采样精度的验证方法。

1 分布式系统架构
本系统的整体结构分为前端和后端两部分，前端是分布式的采集模块，后端采用改进的Compact PCI Express背板传输结构，两部分之间通过光纤通信，图1所示是其结构示意图。

在系统前端，采样点分布在较长距离范围内，每个采集模块的设计集成了六个通道，每个通道的16位AD采集率按要求要达到4MSPS，总共的数据量可达到48MB／s，如此大的数据量，一方面要求传输总线的容量要足够大，另一方面要求数据不能因传输过程中的外界噪声而出现高误码率。鉴于此，本设计采用分布式采集、光纤通信的设计方案。这样既能满足高带宽要求，又能使数据(光信号)在传输中不受外界噪声(电信号)影响，从而达到高速高质量数据传输的目的。本设计中每个采样模块都连接有一对光纤通道：其中一根用于下行发送同步信息和配置命令，另一根用于上行传输数据和模块当前配置信息。
本系统后端采用改进的CPCI-E背板结构，它集成有CompactPCI (CPCI)、CompactPCI Express (CPCI-E)和实时触发总线等三种总线。其中CPCI总线用于低速传输以及兼容已有功能卡产品；CPCIE总线用于高速数据传输；实时触发总线用于系统内各种板卡的精确同步。本系统内有一张4路PCIE x1的背板，故允许四张实时解算卡同时在系统内工作。每张卡上根据需要又可挂1～4个采集模块。处理卡通过PCIE与主机通信，并通过实时触发总线与系统内其他功能卡同步。实时解算卡向下可通过光纤发送同步信息和配置命令，并对前端由光纤传来的数据进行并行处理，以得到一些参数性的结果，同时也可以将原始数据通过PCIE传输给主机显示并存储。
因此，这种分布式的系统结构能有效地解决远距离分布点的多通道采样、数据的高质量高速传输、大量数据的并行实时处理等工程问题。