利用FPGA實(shí)現(xiàn)無(wú)線分布式采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　近些年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，分布式無(wú)線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)始興起，并迅速的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。在一些地形復(fù)雜，不適合人類(lèi)出現(xiàn)的區(qū)域需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的情況下，都可以適當(dāng)?shù)倪x擇無(wú)線分布式采集來(lái)進(jìn)行?，F(xiàn)有的無(wú)線分布式采集系統(tǒng)中，往往使用單片機(jī)、DSP等作為系統(tǒng)的主控控制單元。但是由于其自身工作特點(diǎn)，往往對(duì)于精確的定時(shí)控制以及并行處理能力上比FPGA弱。隨著FPGA等可編程邏輯器件的發(fā)展，為無(wú)線數(shù)據(jù)可靠傳輸提供了很好的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。采用FPGA作為時(shí)序控制和信號(hào)處理的處理器，將使系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔、可靠、靈活，可有效的縮短開(kāi)發(fā)周期，并降低開(kāi)發(fā)成本。

　　為此，基于CycloneIV+STM32設(shè)計(jì)了一種新型的無(wú)線分布式采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高可靠和同步傳輸。設(shè)計(jì)主要由3大部分組成：編碼器、譯碼器、無(wú)線收發(fā)電臺(tái)。在對(duì)編碼器、譯碼器同步校準(zhǔn)后，對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積編碼，并轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)后，在串行數(shù)據(jù)幀頭加入Barker碼來(lái)實(shí)現(xiàn)幀的同步，并使用2條互為備份的數(shù)據(jù)傳送通道同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收端檢測(cè)到barker碼后，本地對(duì)互為備份的雙通道數(shù)據(jù)進(jìn)行viterbi譯碼（本文設(shè)計(jì)的viterbi譯碼器采用并行結(jié)構(gòu)，大大的降低譯碼時(shí)間）。譯碼結(jié)束后，本地對(duì)雙通道數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)，并做出判選，最后執(zhí)行相應(yīng)指令。并在規(guī)定時(shí)間給出相應(yīng)反饋信號(hào)。設(shè)計(jì)的無(wú)線采集系統(tǒng)，即使某一數(shù)據(jù)通道出現(xiàn)少量錯(cuò)碼，系統(tǒng)仍能有效的恢復(fù)出數(shù)據(jù)，并進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)添加了監(jiān)控模塊，實(shí)時(shí)備份上傳的數(shù)據(jù)并監(jiān)控，如發(fā)現(xiàn)不能正常上傳，則啟用備用模塊保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可靠和同步傳輸，而且具有很好的適用性，可廣泛應(yīng)用工業(yè)中。

　　2 無(wú)線分布式采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　2.1 系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)介

　　無(wú)線分布式采集系統(tǒng)包括編碼器、譯碼器（編碼器、譯碼器硬件完全相同，只是配置邏輯不同，可配置為編碼器、譯碼器、中繼站）和無(wú)線通信電臺(tái)。如圖1所示，這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的一對(duì)一式分布式系統(tǒng)。

　　圖1 無(wú)線分布式采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　編碼器作為上位機(jī)與譯碼器之間的橋梁，通過(guò)USB/RS485通道進(jìn)行發(fā)送、接收命令和數(shù)據(jù)。譯碼器接收編碼器發(fā)來(lái)的命令進(jìn)行配置和采集，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至DDR2中。譯碼器收到上傳命令后，上傳數(shù)據(jù)至編碼器。

　　編碼器/譯碼器硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。本系統(tǒng)主控單元由FPGA完成。FPGA選用Altera公司的EP4CGX30F407，邏輯單元為29440個(gè)，80個(gè)18×18乘法器，多達(dá)290個(gè)用戶自定義IO。STM32作為監(jiān)控和備用單元組成系統(tǒng)的基本架構(gòu)，STM32F407ZG系列是基于高性能的ARM CortexTM-M4F的32位RISC內(nèi)核，工作頻率高達(dá)168 MHz，該STM32F407ZG系列采用高速嵌入式存儲(chǔ)器（多達(dá)1 MB閃存，高達(dá)192 KB的SRAM），擁有3個(gè)12位ADC，2個(gè)DAC，1個(gè)低功耗RTC，12個(gè)通用16位定時(shí)器，2個(gè)通用32位定時(shí)器。人機(jī)交互部分由16X2液晶顯示字符模塊和4個(gè)按鍵組成，其主要功能是通過(guò)按鍵對(duì)基站編號(hào)設(shè)置并顯示在LCD上。無(wú)線模塊選用WSN-03系列無(wú)線模塊作為收發(fā)平臺(tái)，工作電壓為5 V，傳輸速率和工作頻段等都可配置。目前傳輸速率最大為115 200b ps，工作頻為433 MHz可調(diào)。無(wú)線模塊與FPGA主要以RXD/A，TXD/B，NRST（復(fù)位控制），SET（設(shè)置模塊參數(shù)），SLP（休眠控制）信號(hào)線連接。GPS模塊選用VKl6U6進(jìn)行定位，與FPGA以UART接口連接，波特率定位9600 bps。ADC選用基于△-Σ技術(shù)的32 bits高精度低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADSl282，采樣信號(hào)電平范圍：差分輸人一2.5~+2.5 V。單個(gè)譯碼器有6個(gè)采集通道，以2 k采樣率，采樣時(shí)常16 S來(lái)計(jì)算，單個(gè)譯碼器純數(shù)據(jù)量為6×2 k×16×24-6144 Kbits.考慮到編碼器，一次采樣，8個(gè)基站的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后數(shù)據(jù)總量為98 304 Kbits，所以編碼器和譯碼器需增加l片Micron Technology公司的MT47H256M8HG-37E IT（256Meg×8）作為緩存空間。由于DDR2 SDRAM需要特定的控制讀寫(xiě)時(shí)序，系統(tǒng)直接采用Quartus II自帶的“DDR2 SDRAM High-Performance Controller”IP CORE。USB部分由2個(gè)通道組成，一個(gè)是由FPGA、CY7C68013和USB接口組成；另一個(gè)由STM32（自帶USB驅(qū)動(dòng)）和USB接口組成。同時(shí)本設(shè)計(jì)中還添加了RS485串口，使整個(gè)系統(tǒng)與上位機(jī)能保持實(shí)時(shí)通信，為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制提供了可能，并能保持系統(tǒng)更新。

　　圖2 系統(tǒng)框架

　　2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

　　系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程為：同步校準(zhǔn)譯碼器，設(shè)置各個(gè)譯碼器接收命令后的延時(shí)-編碼器配置采集參數(shù)、命令-譯碼器采集數(shù)據(jù)保存至DDR2中一各譯碼器分時(shí)接收數(shù)據(jù)上傳命令并上傳數(shù)據(jù)-編碼器將數(shù)據(jù)匯總保存至DDR2-數(shù)據(jù)收集齊后通過(guò)USB/RS485上傳至上位機(jī)。譯碼器節(jié)點(diǎn)配合計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行輪詢采集，它包含了無(wú)線傳輸模塊和與計(jì)算機(jī)通信的USB接口。STM32將組幀后的數(shù)據(jù)備份并實(shí)時(shí)監(jiān)控FPGA，如在規(guī)定時(shí)間或未能按指令進(jìn)行工作，STM32將替代FPGA并使FPGA進(jìn)入斷電狀態(tài)。

　　2.3 系統(tǒng)組幀格式

　　編碼器與譯碼器之間是一對(duì)多的關(guān)系，譯碼器分時(shí)上傳數(shù)據(jù)，譯碼器有2個(gè)通道，譯碼器有唯一的配置編號(hào)。數(shù)據(jù)幀的格式如圖3所示。數(shù)據(jù)幀中除20字節(jié)有效數(shù)據(jù)之外，還包括組號(hào)、目的編號(hào)等。

　　圖3 編碼器、譯碼器間數(shù)據(jù)幀格式

　　為了改進(jìn)接收信號(hào)質(zhì)量，本系統(tǒng)引入信道編碼的方法來(lái)改善信道質(zhì)量。具體如圖4所示。發(fā)送端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀、并串轉(zhuǎn)換、卷積編碼、加入同步幀信息后，把數(shù)據(jù)發(fā)送至無(wú)線通信電臺(tái)進(jìn)行調(diào)制。接收端的無(wú)線通信電臺(tái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后發(fā)送數(shù)據(jù)至接收端的FPGA.接收端的FPGA檢測(cè)到幀同步信息后對(duì)接下來(lái)的數(shù)據(jù)保存，并進(jìn)行Viterbi譯碼。FPGA對(duì)雙通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余校驗(yàn)，并選擇正確的數(shù)據(jù)執(zhí)行相關(guān)操作。

　　圖4 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

　　3 無(wú)線分布式采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

　　3.1 可靠性

　　待發(fā)數(shù)據(jù)經(jīng)卷積編碼，互為備份的雙通道發(fā)送，Viterbi譯碼，冗余校驗(yàn)，數(shù)據(jù)判選，系統(tǒng)能夠很好的進(jìn)行無(wú)線收發(fā)。

　　3.1.1 卷積編碼

　　數(shù)據(jù)組幀完成后，由低位至高位進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，進(jìn)行卷積編碼。卷積編碼是一種糾錯(cuò)信道編碼，是由連續(xù)的輸入信息序列經(jīng)編碼后得到連續(xù)輸出的編碼序列口。以（n，k，m）來(lái)描述卷積碼，k為每次輸入到卷積編碼器的bit數(shù)，行為每k元組碼字對(duì)應(yīng)的卷積碼輸出n元組碼字，m為編碼儲(chǔ)存度。卷積編碼生成的n元組元不僅與當(dāng)前輸入有關(guān)系，還與前面m一1個(gè)輸入的k元組有關(guān)系。本系統(tǒng)采用（2，1，4）卷積編碼器，如圖5所示。圖中“+”代表異或。每bit經(jīng)編碼后都有2 bit輸出（C1，C2）。

　　圖5 （2，1，4）卷積編碼器

　　3.1.2 Viterbi譯碼

　　接收端有2個(gè)接收通道，互不干擾。接收端對(duì)2個(gè)通道同時(shí)譯碼。譯碼采用Viterbi譯碼。Viterbi譯碼算法是一種卷積碼的解碼算法。Viterbi譯碼根據(jù)最大似然算法規(guī)則，能達(dá)到最佳譯碼，特別適合向前糾錯(cuò)。以本設(shè)計(jì)為例，根據(jù)圖5，編碼器4個(gè)延時(shí)狀態(tài)（0，1）組成整個(gè)編碼器的16個(gè)狀態(tài)（D4D3D2D1），每個(gè)狀態(tài)在編碼器輸入1或0時(shí)，跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)狀態(tài)。并且輸出也隨之改變。譯碼就是編碼的逆過(guò)程。算法規(guī)定任意t時(shí)刻收到的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行32次路徑值計(jì)算、16次比較，比較后每個(gè)狀態(tài)只保存一個(gè)路徑值，為接下來(lái)計(jì)算減少了一半的運(yùn)算量。反復(fù)208次，從16條幸存路徑中選出一條路徑值最小的，反推出這條路徑，得出相應(yīng)的譯碼輸出?？紤]到每次譯碼后，譯碼器都能回到初始狀態(tài)，所以源數(shù)據(jù)最后加了8 bit的“0”。本設(shè)計(jì)采用并行處理結(jié)構(gòu)，經(jīng)214個(gè)周期還原出源碼。

　　在設(shè)計(jì)FPGA邏輯時(shí)，基本采用多條并行的流水線技術(shù)，譯碼部分包含4個(gè)子模塊：加比選模塊、回溯模塊、存儲(chǔ)模塊和時(shí)鐘控制模塊。路徑值的計(jì)算和比較在3個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，4個(gè)模塊同時(shí)運(yùn)行，大大的降低了譯碼時(shí)間。另外，為了提高FPGA效率，系統(tǒng)加入采樣觸發(fā)信號(hào)，保證系邏輯能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

　　3.1.3 數(shù)據(jù)判選

　　經(jīng)譯碼后，接收端已接收到2組互為備份的數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)踐證明，簡(jiǎn)單的并聯(lián)冗余能大大的提高系統(tǒng)的可靠性。具體選擇流程如圖6所示。2路數(shù)據(jù)經(jīng)Viterbi譯碼后，開(kāi)始接收一幀數(shù)據(jù)，并寫(xiě)入RAM中，同時(shí)計(jì)算CRC校驗(yàn)、幀完整性檢測(cè)、ID是否符合本地。上述檢測(cè)都沒(méi)問(wèn)題時(shí)，對(duì)2路幸存路徑的度量值進(jìn)行比較，選擇值小的通道作為最終數(shù)據(jù)。

　　圖6 數(shù)據(jù)的選擇

　　3.2 同步的實(shí)現(xiàn)

　　為了保證編碼器和譯碼器之間能?chē)?yán)格實(shí)現(xiàn)同步，數(shù)據(jù)幀需要加入同步幀。實(shí)現(xiàn)幀同步的方法通常有2種：起止同步法和集中式插入同步法。起止式同步比較簡(jiǎn)單，一般在數(shù)據(jù)碼元的開(kāi)始和結(jié)束位置加入特定的起始和停止脈沖來(lái)表示數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始和結(jié)束。集中插入式同步法中插人的同步碼要求在接收端進(jìn)行同步識(shí)別時(shí)出現(xiàn)偽同步的概率盡可能低，并且要求該碼具有尖銳的自相關(guān)特性以便識(shí)別。7位巴克碼作為幀同步碼，其局部自相關(guān)函數(shù)為：

　　由上公式計(jì)算可知，7位巴克碼的自相關(guān)函數(shù)在j一0時(shí)出現(xiàn)尖銳的單峰特性。設(shè)計(jì)中采用2組同步幀頭作為同步碼，同步幀頭由7位巴克碼和1 bit的0組成。

　　到現(xiàn)在為止，待發(fā)數(shù)據(jù)bit數(shù)為：208×2+8×2-432 bits。經(jīng)調(diào)制解調(diào)后，接收端檢測(cè)幀同步信息，同步信息為2組11100100組成。每組同步信息高7位與7位巴克碼相比，允許出錯(cuò)位數(shù)在1位以內(nèi)。設(shè)P為碼元錯(cuò)誤概率，行為同步碼組的碼元數(shù)，m為判決其允許碼組中的錯(cuò)誤碼元最大數(shù)，在本系統(tǒng)中行n=7，m=1。在P=0.01時(shí)，單一barker碼的漏同步概率為：

　　當(dāng)2組同步幀都滿足時(shí)，幀同步建立，接收端保 存接下來(lái)的數(shù)據(jù)。無(wú)線通信電臺(tái)與FPGA以rs485連接，如圖7所示，F(xiàn)PGA檢測(cè)X是否為“0”，當(dāng)檢測(cè)到“0”，不接收端對(duì)接下來(lái)的數(shù)據(jù)X與本地巴克碼對(duì)應(yīng)位進(jìn)行位異或運(yùn)算。當(dāng)檢測(cè)1 byte barker碼，錯(cuò)1位以內(nèi)時(shí)，發(fā)出一value脈沖。當(dāng)檢測(cè)到2個(gè)value脈沖時(shí)，說(shuō)明同步已建立，接收端開(kāi)始存儲(chǔ)接下來(lái)的數(shù)據(jù)。

　　圖7 barler碼識(shí)別

　　4 系統(tǒng)監(jiān)控模塊的實(shí)現(xiàn)

　　STM32與FPGA連接如圖8所示，由于ARM與FPGA的相互通信直接影響著控制器的性能，所以該并行總線的設(shè)計(jì)就成為一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。該總線可以包括芯片的地址總線（ADDR［021］）、數(shù)據(jù)總線（DB［015］）、控制總線、復(fù)位信號(hào)（nRST）以及中斷信號(hào)線（INT），其中控制總線包括使能信號(hào)（nOE）、片選信號(hào)（nCS）、讀信號(hào)（nRD）、寫(xiě)信號(hào)（nWE），這樣做的好處是，將FPGA芯片存儲(chǔ)器化，即STM32可通過(guò)對(duì)特定地址的訪問(wèn)來(lái)控制FPGA工作，并且可通過(guò)共同的復(fù)位信號(hào)將STM32與FPGA芯片同時(shí)復(fù)位，盡量避免總線競(jìng)爭(zhēng)和冒險(xiǎn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

　　圖8 STM32與FPGA連接

　　STM32與FPGA同時(shí)接收命令，在解析完命令后，F(xiàn)PGA應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，F(xiàn)H認(rèn)組幀完成時(shí)，發(fā)出INT信號(hào)至黜2申請(qǐng)中斷。如果STM32在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到FPGA發(fā)來(lái)的INT信號(hào)，將開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間內(nèi)未能接收INT信號(hào)，STM32將停止FPGA供電電源工作，由STM32代替FPGA工作，保證整個(gè)系統(tǒng)能穩(wěn)定進(jìn)行。

　　5 系統(tǒng)測(cè)試

　　編碼器實(shí)物如圖9所示。測(cè)試時(shí)搭建一對(duì)編碼、譯碼器，采用12 V的直流電源供電。待 發(fā)數(shù)據(jù)為208 bits，即208‘b00000000_10010010_01100100_10011001_00100110_01001001_10010010_01100100_10011001_00100110_01001001_10010010_01100100_10011001_00100110_01001001_10010010_01100100_10011001_00100110_01001001_10010010_01100100_10011001_00100111_00111111;圖10顯示了測(cè)試中利用SignalTap II截取經(jīng)卷積編碼后輸出的部分信號(hào)波形。其中z為串行輸人數(shù)據(jù)，yt為卷積編碼后輸出的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線發(fā)送后，經(jīng)Viterbi譯碼，仿真圖形如圖11所示，編碼器發(fā)送的數(shù)據(jù)為208 bit S，data_out為譯碼輸出的部分?jǐn)?shù)據(jù)，譯碼數(shù)據(jù)與發(fā)送端的高低位順序相反。由于數(shù)據(jù)經(jīng)發(fā)送后，高低位互換，圖上只截取了經(jīng)Viterbi譯碼后的高27位的譯碼結(jié)果。經(jīng)多次測(cè)試，數(shù)據(jù)傳輸正常，在少量不連續(xù)的錯(cuò)碼情況下，系統(tǒng)能夠自動(dòng)糾正。

　　圖9 編碼器實(shí)物

　　圖l0（2，1，4）編碼器輸出

　　圖ll Viterbi譯碼輸出

　　6 結(jié)論

　　在無(wú)線分布式采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了基于卷積編碼、Viterbi譯碼的編碼和互為備份的雙通道傳輸方案，利用了FPGA內(nèi)豐富的邏輯資源以及存儲(chǔ)資源，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離同步可靠傳輸。加入備份數(shù)據(jù)通道后，通過(guò)FPGA內(nèi)部邏輯控制，在硬件上實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)校驗(yàn)及自動(dòng)判選，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。相比于“備份-重傳”等機(jī)制，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好，即使某一通道不能正常工作，系統(tǒng)仍能正常進(jìn)行。該無(wú)線分布采集系統(tǒng)，滿足了現(xiàn)在同步觸發(fā)和數(shù)據(jù)量不大情況下的傳輸。本文提出的互為備份的雙通道編解碼、數(shù)據(jù)冗余傳輸機(jī)制，亦可應(yīng)用相關(guān)無(wú)線傳輸領(lǐng)域，以提高遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。