基于千兆以太网的高速数据采集系统设计

　　1 引言

　　在工业控制、质量检测、虚拟仪器等场合，都需要采集数据并传输到上位机做分析处理。在传输数据时，有各种各样的传输协议。传统的RS232总线、RS485总线、CAN总线传输距离远，但是其传输速度分别为12.8Mbps，10Mbps和1Mbps，无法满足数据高速传输的需要。常用的USB接口和1394接口传输速度高，但是其理论传输距离分别只有5m和10m，无法满足工业现场对远距离传输的要求。为解决传输距离与传输速度之间的矛盾，设计了一种基于千兆以太网的高速数据采集系统。

　　2 系统总体设计方案

　　在电缆局部放电检测系统中，需要采集因电缆局部放电而产生的高速脉冲信号并高速远距离传输给上位机做分析处理。系统由工控机、千兆以太网交换机和数据采集卡三部分构成。

　　图1为本系统总体设计框图。

　　工控机作为上位机控制整个系统，通过向各个数据采集卡发送命令和各种采集参数控制采集卡的工作方式；对从数据采集卡传输上来的高速脉冲信号做分析处理，实现对放电量、放电相位、放电次数等各种局部放电参数的检测；并显示工频周期放电图、二维及三维放电谱图。千兆以太网交换机用于工控机和多个数据采集卡交换数据。根据需要，可以通过交换机的级连从而增加采集卡的数量。数据采集卡安放在被检测电缆旁，被检测电缆每隔500米设置一个节点，每个节点两侧各放置3个采集卡对三相放电高速脉冲信号进行采集。系统以千兆以太网为中心，通过增加采集卡的数量，可以增大现场检测范围。

　　数据采集卡使用双通道高速并行采集脉冲信号。

　　图2为数据采集卡的原理框图。

　　FPGA是数据采集卡的，接收上位机的命令，完成对输入信号的接收，缓存并从缓存中取出数据发送给网络模块。

　　网络模块承接上位机与FPGA，采用千兆以太网传输技术，是数据采集卡的关键。

　　3 信号的接收

　　系统采用宽频带检测技术，应用双传感器定向耦合脉冲信号，要求数据采集卡实现双通道高速同步采集、双通道同步偏差不超过5ns。由于待采集的放电脉冲信号的频率可达30MHZ，根据采样定理和实际经验，采集卡的模数转换器采样率须达到IOOMSPS，才能很好地对信号进行复原和检测。为满足这种要求，模数转换器采用2片AD9433。

　　AD9433是模拟器件公司生产的一种12位单片采样A/D转换器。它具有片上跟踪/保持电路，转换速率高达125MSPS。

　　对于许多应用场合，不需要外部基准和驱动元件。用户可以选择片上专有电路，可以极好地优化无杂散噪声动态范围（SFDR）。编码时钟支持差分或单端输入，输出为二进制或二进制的补码格式。

　　A/D转换器对用户提供的取样时钟都十分敏感，跟踪保持电路实质上是一个混频器，任何的噪声、失真或者时钟的抖动都很影响A/D输出的信号。由于这个原因，对AD9433的时钟信号输入的设计必须相当重视。FPGA的输入时钟源为24M，经过内部锁相环倍频后，由PLL专用输出管脚输出为AD9433提供干净的时钟源。

　　由于是高速模数混合电路，在设计印刷电路板时，布局布线是很讲究的，应遵循以下原则：

　　（1）为减小数字电路的干扰，应将模拟电路和数字电路分开布局；

　　（2）对于时钟线、差分线等对干扰很敏感的信号线走线时必须使用3W原则；

　　（3）对于高速信号线要考虑传输线效应，注意阻抗匹配；

　　（4）信号线走线时要尽可能减少电流环路的面积，以避免形成大的环状天线；

　　（5）电路板只采用一个参考平面，避免形成偶极天线；

　　（6）为减小信号线上的分布电阻、电容和电感，应尽量缩短走线长度和增大导线间的距离。

　　4 数据的缓存

　　每个AD需要连续采集16M×12bit的数据传输给上位机软件进行分析计算，2片AD同部采集的数据量共48MByte。

　　在AD前端100M高速采样率下，为使如此大量数据无误传输，数据缓存设计非常必要。

　　图3为缓存部分设计原理图。

　　主控芯片FPGA选用ALTERA的EPlCl2Q240，片上带有2个专用的PLL，12060个LE，内部RAM资源多达239616bit。在市场上存在多类存储器，包括静态随机存储器SRAM，同步动态随机存储器SDRAM，双倍速率SDRAM（DDRSDRAM）等。由于SRAM容量小，DDRSDRAM控制复杂，系统选用2片IS42s32800作缓存芯片，一片SDRAM缓存一个通道的数据。

　　IS42：532800是一片8M×32bit的SDRAM，工作频率为166M，3.3V供电。它包含以下几个操作：初始化操作、读出数据操作、写入数据操作、刷新操作。

　　程序设计时，在FPGA内部开辟4个512×12位的双口R—蝴暂存高速数据进行乒乓操作。FPGA把AD输出的数据写入到乒RAM中的同时，又把RAM中的数据读出写入到SDRAM，这样前端的数据流便不会中断，提高了数据传输速度。AD采样频率为100MSPS，为使SDRAM能无误存储数据，则SDRAM必须在IOOMHZ的时钟频率下工作。这对FPGA的时序设计和PCB的设计是一个考验，为了使系统能够更加稳定地工作，对SDRAM的控制采用了降频设计技术。FPGA把12bit的AD输出数据转化成24bit的数据输出给SDRAM，这样SDRAM只需工作在50MHZ的时钟频率下就能无误存取数据，大大提高了系统的稳定性。

　　5 网络传输

　　以太网技术是当今应用为广泛的网络技术。千兆以太网技术继承了以往以太网技术的许多优点，同时又具有许多新的特性，例如传输介质包括光纤和铜缆，使用8B/lOB的编解码方案，采用载波扩展和分组突发技术等。将千兆以太网应用到高速数据采集系统中是一个趋势。

　　图4是网络传输模块原理图。

　　数据链路层芯片AX88180是台湾ASIX公司推出的一款高性能低成本的Non-PCI千兆以太网控制器，符合IEEES02.3/IEEE 802.3u/IEEE 802.3ab协议，适用于多种需要高速接入网络的嵌入式系统。Ax88180内置10/100/1000Mb/s以太网媒体存取控制器（MAC）；内置主机接口控制器，可以与16/32位主机方便连接，寻址方式与SRAM相同；内置40KB的SRAM网络封包缓存器，其中32kB用于从PHY接收数据包，8KB用于主机发送数据包到PHY，可以用高效方式进行封包的存储、检索与修改；内置256字节的配置寄存器，用于主机控制和参数设置。物理层芯片采用88E1111。AX88180与88E1111之间采用RGMII接口方式互连，负责数据传送底层协议的实现。

　　UDP和TCP协议都属于OSI（开放系统互连）参考模型的传输层协议。虽然TCP协议中植入了各种安全保障功能，但是在实际执行的过程中会占用大量的系统开销，无疑使速度受到严重的影响。反观UDP由于排除了信息可靠传递机制，将安全和排序等功能移交给上层应用来完成，极大降低了执行时间，使速度得到了保证，包括网络视频会议系统在内的众多的客户/N务器模式的网络应用都使用UDP协议。为达到高速传输的目的，系统采用UDP/ho协议，并使用FPGA实现。为了便于上位机对采集卡进行管理，FPGA根据上位机的要求，修改采集卡的IP地址，并把IP地址存储到EEPROM中。

　　6 结语

　　本系统把高速数据采集技术和千兆以太网技术有机结合起来，实现了数据高速采集并远距离高速传输功能。

　　由于系统工作在复杂电磁环境中，在设计PCB时就考虑了EMI和EMC等问题，系统抗干扰能力强。经过验证，采集卡接收到上位机的采集命令后，实现了双通道同时采、每通道100MSPS的采集速度；采集数据完毕后，采集卡向上位机的数据传输速度可达300Mbit/S。在交换机上随意增加采集卡的数量，系统能正常工作。

参考文献:

[1]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.
[2]. RS485 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS485_585289.html.
[3]. AD9433 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD9433_251533.html.
[4]. 100M datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/100M_2509927.html.
[5]. DDRSDRAM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DDRSDRAM_256478.html.
[6]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[7]. AX88180 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AX88180_1343202.html.
[8]. 88E1111 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/88E1111_2272877.html.
[9]. EMC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EMC_2342312.html.