基于FPGA和DSP的微振动传感器信号采集系统设计

摘要：为实现对双M—Z型光纤微振动传感器的振动信号进行实时检测和处理，提出一种基于FPGA和DSP的数据采集和实时处理系统。通过描述系统的硬件设计原理和寄存器配置，以及软件框架和流程，介绍了系统的设计和实现方法。经验证，该系统实现对微振动传感器的实时数据采集并实时进行信号处理，能满足微振动传感器系统对实时性的要求。该系统具有可重构性，方便实现不同算法。
关键词：光纤微振动传感；数据采集；FPGA；C6747

随着光纤技术的不断发展，光纤微振动传感器越来越多地应用于周界安防、石油和天然气管道和通信线路监测等系统中。光纤微振动传感器是利用光纤是传感介质的一种分布式光纤传感系统，其中光纤既是传感介质，又是光传输介质。它可以在传感光纤布设长度内，对一定准确度范围内的突发事件进行远程和实时的监测。国内科研单位先后开展了对于光纤微振动传感器的相关研究工作，取得了一定的成果，实现对振动进行定位并报警，但模／数存在误报警的问题。对振动信号进行模式识别是一种降低误报警率的方法。国内各研究单位对光纤传感器的振动模式识别也开展了一些研究，但都是基于PC端的离线处理，满足不了系统实时性和小型化的要求。本文设计的基于FPGA和DSP的光纤微振动传感器数据采集和实时处理系统满足系统对实时性和小型化的要求，能够实现在线对光纤微振动传感器进行数据采集和实时模式识别算法处理。

1 系统设计
本文设计的系统对基于双M—Z型干涉仪的光纤微振动传感器的信号进行采集和处理，系统功能框架图如图1所示，由光电转换模块、模／数转换模块、FPGA模块和DSP模块组成。光纤微振动传感器的输出信号经光电模块从光信号转换为电信号；然后通过模／数转换模块，把模拟信号转化成数字信号；FPGA模块控制模／数转换模块的时钟，把数字信号采集入FPGA内的FIFO缓冲器，FIFO的半满信号线和DSP模块相连，会触发DSP的EDMA事务，把数据从FIFO转移到DSP的存储器SDRAM；并且存储器中的数据长度达到系统设定值时触发DSP的模式识别算法处理函数。

2 硬件设计
2．1 光电转换和模／数转换
光电转换模块采用SPF1200SF-D08型号的PINFET探测模块。该PINFET工作波长为1 000～1 650 nm，采用正负5 V供电。PIN管的反偏高、输出阻抗与FET的高输入阻抗得到很好地匹配，减少了外部干扰和杂散电容，大大降低了热噪声，而且配合采用AD8065的前置放大电路可以很好地匹配A／D转换电路输入电平范围。
模／数转换模块采用ADI公司的AD923512 bADC，其体积小，功耗低，耐高过载。AD9235有3种不同最大采样频率的型号，别是20 MS／s，40 MS／s，60 MS／s。该系统采用的是20 MS／s，其采样时钟由FPGA的DCM输出，由专用的差分ADC驱动芯片AD8138将单端信号转换为差分信号作为AD9235的输入。采样时钟和FIFO的写时钟配合，把模／数转换的数据写进FPGA内的FIFO。
2．2 DSP模块
DSP模块采用T1公司生产的TMS320C6747型号，时钟频率为300 MHz，是浮点、低功耗应用处理器。其中主要功能是完成数据的EDMA转移和算法处理，硬件设计主要包括EMIF接口和EDMA3控制器。
2．2．1 EMIF接口
C6747通过它的2个EMIF接口：EMIFA和EMIFB，可连接外部存储器，或其他外设。C6747的EMIFA接口时钟频率可达100 MHz，既可接SDRAM也可接FLASH。本系统通过EMIFA接口外接1片16 MB的NOR FLASH S29GL128M，在CE2地址空间内实现代码的存储，配置寄存器CE2CFG=0x04842 32D；EMIFA接口同时还和FPGA内的FIFO相连，使FPGA内的FIFO空间映射到DSP的CE3地址空间，CS3控制FPGA端的FIFO，CE3CFG=0x0484 222D。
C6747的EMIFB接口的时钟频率可达133 MHz，只可接SDRAM。本系统通过EMIFB接口外接2片SDRAM芯片IS42S16160B组成64 MB的存储器，用于存放实时采集的数据和算法运算过程中的临时数据；配置寄存器之前需先置SDCFG．TIMUNLOCK为1，然后才可更改其他寄存器：SDREF=0x00 000410，SDTIM1=0x10912A10；SDTIM2=0x70090005，SDCFG=0x00010421。