高速远程数据采集系统设计
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峰 值 速 率 仅 仅 是 一 个 理 想 值 。实 际 中 要 想 稳 定 可 靠 地 采集数据流， 采集卡上必须有大小合适的缓存。数据 采 集 系 统 从 数 据 源 到 -& 的 整 个 体 系 是 一 个 先 进 先 出 结构， 核心问题是如何经济有效地设计出尽可能大的 先 进 先 出 的 缓 存 系 统 。最 简 单 的 实 现 方 式 是 直 接 使 用
#\ ,R.3
延迟线
接收相关器
合并器
最强径选择
9U 延 迟 线
搜索相关器
图 [ =(<0 接 收 机 结 构 框 图
移动站接收机中信道估计、 数据解扩及定时跟踪 都需要接收信号与本地序列进行相关运算， 相关器组 在 整 个 接 收 机 设 计 中 占 很 大 的 资 源 。自 动 频 率 校 正 环 路与数据速率相比， 调整速度很慢， 可用于数据处理 的时间很充裕。为节省硬件资源， 在设计中大量使用 了串行处理和模块时分复用技术。
$ 数据传输方案
在 数 据 传 输 部 分 的 设 计 中 ， 调 研 了 基 于 aJb 、 火 线 （ @.5+L.5+ ） 之类的解决方案。采用这些协议开发设 备可以使数据采集部分的设计比较简单。目前， 主板 一 般 都 支 持 aJb # B # ， 不需要设计专门的数据采集卡。 协议， 如果采用火线 （ @.5+L.5+ ） YX 的 Z%>X K )MG1 系 列 （接上页） 率误差的控制信号，经过数模变换后输出至射频模 块，调节移动台振荡器的输出频率，使之与基站的输 出频率相同， 保证前向业务信道数据的正确解调。
公ຫໍສະໝຸດ Baidu司
’(’) 器 件 作 为 系 统 的 缓 存 ， 当 然 这 也 是 最 昂 贵 的 方 案 。 也 可 以 使 用 双 口 .$% 来 实 现 ’(’) 结 构 。 最 廉 价
的芯片 （ YJb #! ’$ !W ） 集 成 了 一 个 9>X 接 口 和 火 线 的 协 议 层 。 但 是 目 前 aJb # B # 标 准 还 达 不 到 所 需 要 的 带 宽 ， 而 aJb ! B " 还 没 有 得 到 主 板 的 普 遍 支 持 。 采 用 火 线虽然使得数据接收端的设计相对简单。 但是由于火 线是一条多主的总线， 每发送一帧数据都要打一个包 头， 由于链路层协议的复杂， 包头的结构也相当的冗 长， 对于数据发送端链路层的大量寄存器配置， 仅用 调试麻烦， 不 灵 活 。如 果 采 用 F>a 来 实 现 >9’& 实 现 ， 能 够 对 上 百 FD38 的 数 据 流 实 时 地 打 包 的 数 据 发 送 系 统， 复杂程度太高， 严重影响项目进度。 依据开发难度、 成本， 最后选择了两种方案来构 建传输系统： 低压差分 （ ’$&J ） 和 %ZY).G; 。 低压差分信号传输器件一般应用于背板信号互 连之类的短距离通讯中， 例如交换机系统。 ’$&J 标 准 定 义 传 输 距 离 为 #" 2 ， 实 际 工 程 实 践 中 发 现 #" FD38 的数据流在五类双绞线上使用低压差分至少可以在 目前国内的应用中一 ?" 2 左 右 的 传 输 距 离 稳 定 传 输 。 真 和 验 证 。在 验 证 了 功 能 的 正 确 性 以 后 ， 采 用 0&( 综 合 工 具 01+23)45 对 电 路 进 行 了 综 合 和 优 化 。最 后 利 用
W! ,R.3
延迟线 抽头选 取 控制单元
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
()-+54 公 司 提 供 的 6745-78 软 件 将 设 计 的 逻 辑 下 载 到 了
一 片 (90: !" ;
09 !" < !"" => !?" @9A( 中 。
O!
万方数据
《电子技术应用》!""# 年第 ## 期
通讯与电视
般 在 超 过 #"" A 的 情 况 下 使 用 一 个 80*+ 的 中 继 板 。 普 遍 使 用 的 80*+ 器 件 是 国 家 半 导 体 的 B" & "@# ，
B" & "@! ， #C# 发 送 接 收 模 块 ， 不 带 有 复 用 与 解 复 用 的
!"# 硬 件 实 现 结 果 采 用 $%&’ 语 言 对 各 个 模 块 进 行 了 描 述 ， 并 同 样 运 用 ()*+, 公 司 的 (,-./+$%&’ 仿 真 工 具 进 行 了 功 能 仿
参考文献 # ( B C B $.-+5D. E >&F( B 95.G,.3)+8 HI J35+4* J3+,-572 >H227G.,4-.HG E F( ： (**.8HG K L+8)+M E (35.) #NNO B ! C B A B 95H4;.8 E &.P.-4) >H227G.,4-.HG8 E Q -R.5* +*.-.HG S F,A54T K %.)) E U+T VH5; E #NNO B W =H24GH @4G-4,,. B (G 0II.,.+G- =4;+ =+,+./+5 (5,R.-+, -75+ T.-R 9.)H- J.PG4) >4G,+))4-.HG IH5 &HTG).G; >H227K G.,4.H-G8 .G &J K >&F( XG*HH5 L.5+)+88 U+-TH5;8 E X000 Y54G84,-.HG8 ZG >H227G.,4-.HG8 E $H) B ?[ B UH B \ E C7G+ #NNN B 尤肖虎， 程时昕B 扩频系统中自动频率校正单 ? 李 俨， 元 的 设 计 和 实 现 B 东 南 大 学 学 报 E #NN] ^ !] Q ! S 苏 杰 B >&F( 信 令 系 统 B 南 京 _ 东 南 大 学 出 版 O 胡爱群， 社， #NN[ B 邢 宁 霞 B>&F(Q码 分 多 址 S 移 动 通 信 技 术 B 北 京 ： \ 孙立新， 人民邮电出版社， #NN\ B 顾 新 B $%&’ 硬 件 描 述 语 言 与 数 字 逻 辑 电 路 [ 侯伯亨， 设计B西安： 西安电子科技大学出版社， #NN] （收稿日期： !""# K "\ K #N ）
通讯与电视
高速远程数据采集系统设计
清 华 大 学 自 动 化 系 Q #"""]? S
摘
黄 迅
孙政顺
要： 结合一个实际的远程高速数据采集系统的设计， 比较了目前常用的各种数据传输方式， 数据采集 远程传输
介 绍 了 各 个 公 司 的 9>X 接 口 芯 片 的 特 点 ， 以及高速数据采集系统的设计思想和各种实现方案。 关 键 词 ： aJb 火 线 （ @.5+L.5+ ） 低 压 差 分 （ ’$&J ） %ZY’.G; 9>X
机的控制来保证接收端时钟正确恢复 （一个演示的状 。而且由于系统时钟频率较高， 态 转 换 图 见 图 #） -&D 版图设计需要比较讲究，要求设计者仔细考虑各种电 磁干扰影响。
-&( 接 口 芯 片 的 选 择 也 有 所 不 同 。 数 据 采 集 系 统 一 般 为 了 采 集 数 据 流 而 设 计 。由 于 -&( 总 线 是 一 个 共 享 总 线， 仲裁算法一般是公平竞争， 事 实 上 #@! %NEQGH S H 的
重新锁定 数据发送 端时钟
否则跳转下 一状态
每 接 收 >? 个 数据如果误码 指示小于 @， 则保持本状态
否则跳转下 一状态
图 # :)78;<= 接 收 端 外 部 逻 辑 控 制 状 态 转 换 图
（常见产品比较见表 #） ； ・-&( 设 备 驱 动 开 发 在 常 见 平 台 下 有 较 好 的 软 件 包 支 持 。 例 如 *4H 下 可 直 接 调 用 -&(D;4H 函 数 ， T;<U
! 数据采集系统方案
基于计算机的数据采集系统可以依据与计算机 的 接 口 不 同 而 分 类 。 以 目 前 工 程 应 用 来 看 ， 基 于 (+$ 总线的系统虽然带宽足够低速采集使用， 但是由于主 板 生 产 商 趋 向 于 不 再 支 持 (+$ ， 面 临 被 P+D 接 口 产 品 取 代 的 趋 势 。 而 高 速 数 据 采 集 系 统 主 要 还 是 基 于 -&( 总线传输数据。这主要是 由 于 -&( 总 线 相 对 于 其 它 总线有以下几个优点： ・-&( 总 线 得 到 了 广 泛 的支持； ・ -&( 总 线 目 前 @!D;Q ，
功能。如果需要两根串行线传输方案， 国家半导体也 提 供 复 用 比 可 达 到 #? C # 与 # C #? 的 复 用 与 解 复 用 不需要内部编 80*+ 器 件 。 80*+ 器 件 使 用 比 较 方 便 ， 程与外部的逻辑控制， 在 -&D 版 图 设 计 时 注 意 差 分 信 号线基本等长、 匹配电阻等问题即可正常工作。
数据采集是信息处理系统的最前端， 对于一般的 数据采集任务有通用的数据采集系统可供选用。 但是 由于数据源以及用户需求的多样性， 通用的采集设备 不可能总能满足定制要求。 例如一个项目需要采集由 一 块 高 速 >>& 图 像 处 理 板 送 来 的 数 据 ， 数 据 传 输 速 率 必 须 稳 定 到 #" F DM-+8 ‘ 8 ， 数 据 源 为 一 个 远 端 （ O" 2 左右） 设备发送的连续数据流， 要求所设计的数据采 集系统必须能够现场采集， 远程传输， 并实时地存储 海量数据。 本系统的核心部分为高速远距离传输和数据采 集两个部分。
64VH 下 有 非 常 好 的 开 发 辅 助 软 件 包 ， 而 8;<W2 直 接 提 供 类 似 于 -&(D;4H 的 函 数 可 供 开 发 者 调 用 。 目 前 市 场 上 常 见 的 有 $%&& 、 -81 、 &,-./++ 等 公
司的桥芯片。经过一段时间的使用与比较， 各个型号 的 -&( 接 口 芯 片 的 大 致 特 点 如 表 # 所 示 。 一 般 来 说 X 基 于 -&( 总 线 的 板 卡 可 以 分 成 信 息 处 理 板 与 数 据 采 集 板 。对 于 二 者 的 设 计 思 想 以 及 相 应 的
每 接 收 >? 个 数据如果误码 指示小于 @， 则保持本状态 否则跳转下 一状态
每 接 收 >? 个 数据如果误码 指示小于 @， 则保持本状态
时钟校正后跳入 错误检测状态
:)78;<= 是 &EF5GHH 公 司 的 高 速 长 距 离 点 对 点 串 行
通 信 产 品 系 列 。 符 合 *0D I$+( 、 $7% 、 +%-7/ I!JB% 、 用于构建符合这些标准的通讯产品的 /+&)K 等 标 准 ， 物 理 层 。 标 准 的 :)7L;<= 产 品 数 据 传 输 速 率 范 围 为 支持同轴电缆、 双绞线以及光纤接口。 #>" M ?"" %NFH ， 传 输 距 离 与 传 输 介 质 有 关 。用 双 绞 线 以 及 同 轴 电 缆 可 以 传 输 #""MJ""A， 光纤传输可以达到数公里。具体工 作原理是： 在发送端将八位输入数据串行输出， 接收端 重 新 组 合 。发 送 端 无 有 效 数 据 时 自 动 发 送 空 数 据 ， 接收 端根据码流自动恢复时钟。外部逻辑可以监视恢复时 钟是否失同步，一旦失同步即可控制接收端重新同步 时 钟 ， 而 且 :)78;< = 产 品 的 一 大 特 点 是 可 以 实 现 数 据 流与指令流的分离。 实际 :)78;< = 的 理 论 误 码 率 为 零 ， 误码来自于内部时钟失同步以及外部环境电磁干扰。
:)7;<= 第 二 代 产 品 可 以 支 持 #J""%NFH 的 传 输 速率，支持 O 位、 #> 位 、 @! 位 数 据 接 口 ， 性 能 大 大 提 高 。当 然 基 于 : ) 7 8 ; < = 设 计 通 讯 产 品 难 度 相 对 要 大 一 些， 应 用 :)78;<= 传 输 系 统 需 要 比 较 复 杂 的 外 部 状 态
#\ ,R.3
延迟线
接收相关器
合并器
最强径选择
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$ 数据传输方案
在 数 据 传 输 部 分 的 设 计 中 ， 调 研 了 基 于 aJb 、 火 线 （ @.5+L.5+ ） 之类的解决方案。采用这些协议开发设 备可以使数据采集部分的设计比较简单。目前， 主板 一 般 都 支 持 aJb # B # ， 不需要设计专门的数据采集卡。 协议， 如果采用火线 （ @.5+L.5+ ） YX 的 Z%>X K )MG1 系 列 （接上页） 率误差的控制信号，经过数模变换后输出至射频模 块，调节移动台振荡器的输出频率，使之与基站的输 出频率相同， 保证前向业务信道数据的正确解调。
公ຫໍສະໝຸດ Baidu司
’(’) 器 件 作 为 系 统 的 缓 存 ， 当 然 这 也 是 最 昂 贵 的 方 案 。 也 可 以 使 用 双 口 .$% 来 实 现 ’(’) 结 构 。 最 廉 价
的芯片 （ YJb #! ’$ !W ） 集 成 了 一 个 9>X 接 口 和 火 线 的 协 议 层 。 但 是 目 前 aJb # B # 标 准 还 达 不 到 所 需 要 的 带 宽 ， 而 aJb ! B " 还 没 有 得 到 主 板 的 普 遍 支 持 。 采 用 火 线虽然使得数据接收端的设计相对简单。 但是由于火 线是一条多主的总线， 每发送一帧数据都要打一个包 头， 由于链路层协议的复杂， 包头的结构也相当的冗 长， 对于数据发送端链路层的大量寄存器配置， 仅用 调试麻烦， 不 灵 活 。如 果 采 用 F>a 来 实 现 >9’& 实 现 ， 能 够 对 上 百 FD38 的 数 据 流 实 时 地 打 包 的 数 据 发 送 系 统， 复杂程度太高， 严重影响项目进度。 依据开发难度、 成本， 最后选择了两种方案来构 建传输系统： 低压差分 （ ’$&J ） 和 %ZY).G; 。 低压差分信号传输器件一般应用于背板信号互 连之类的短距离通讯中， 例如交换机系统。 ’$&J 标 准 定 义 传 输 距 离 为 #" 2 ， 实 际 工 程 实 践 中 发 现 #" FD38 的数据流在五类双绞线上使用低压差分至少可以在 目前国内的应用中一 ?" 2 左 右 的 传 输 距 离 稳 定 传 输 。 真 和 验 证 。在 验 证 了 功 能 的 正 确 性 以 后 ， 采 用 0&( 综 合 工 具 01+23)45 对 电 路 进 行 了 综 合 和 优 化 。最 后 利 用
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延迟线 抽头选 取 控制单元
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《电子技术应用》!""# 年第 ## 期
通讯与电视
般 在 超 过 #"" A 的 情 况 下 使 用 一 个 80*+ 的 中 继 板 。 普 遍 使 用 的 80*+ 器 件 是 国 家 半 导 体 的 B" & "@# ，
B" & "@! ， #C# 发 送 接 收 模 块 ， 不 带 有 复 用 与 解 复 用 的
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参考文献 # ( B C B $.-+5D. E >&F( B 95.G,.3)+8 HI J35+4* J3+,-572 >H227G.,4-.HG E F( ： (**.8HG K L+8)+M E (35.) #NNO B ! C B A B 95H4;.8 E &.P.-4) >H227G.,4-.HG8 E Q -R.5* +*.-.HG S F,A54T K %.)) E U+T VH5; E #NNO B W =H24GH @4G-4,,. B (G 0II.,.+G- =4;+ =+,+./+5 (5,R.-+, -75+ T.-R 9.)H- J.PG4) >4G,+))4-.HG IH5 &HTG).G; >H227K G.,4.H-G8 .G &J K >&F( XG*HH5 L.5+)+88 U+-TH5;8 E X000 Y54G84,-.HG8 ZG >H227G.,4-.HG8 E $H) B ?[ B UH B \ E C7G+ #NNN B 尤肖虎， 程时昕B 扩频系统中自动频率校正单 ? 李 俨， 元 的 设 计 和 实 现 B 东 南 大 学 学 报 E #NN] ^ !] Q ! S 苏 杰 B >&F( 信 令 系 统 B 南 京 _ 东 南 大 学 出 版 O 胡爱群， 社， #NN[ B 邢 宁 霞 B>&F(Q码 分 多 址 S 移 动 通 信 技 术 B 北 京 ： \ 孙立新， 人民邮电出版社， #NN\ B 顾 新 B $%&’ 硬 件 描 述 语 言 与 数 字 逻 辑 电 路 [ 侯伯亨， 设计B西安： 西安电子科技大学出版社， #NN] （收稿日期： !""# K "\ K #N ）
通讯与电视
高速远程数据采集系统设计
清 华 大 学 自 动 化 系 Q #"""]? S
摘
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要： 结合一个实际的远程高速数据采集系统的设计， 比较了目前常用的各种数据传输方式， 数据采集 远程传输
介 绍 了 各 个 公 司 的 9>X 接 口 芯 片 的 特 点 ， 以及高速数据采集系统的设计思想和各种实现方案。 关 键 词 ： aJb 火 线 （ @.5+L.5+ ） 低 压 差 分 （ ’$&J ） %ZY’.G; 9>X
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-&( 接 口 芯 片 的 选 择 也 有 所 不 同 。 数 据 采 集 系 统 一 般 为 了 采 集 数 据 流 而 设 计 。由 于 -&( 总 线 是 一 个 共 享 总 线， 仲裁算法一般是公平竞争， 事 实 上 #@! %NEQGH S H 的
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图 # :)78;<= 接 收 端 外 部 逻 辑 控 制 状 态 转 换 图
（常见产品比较见表 #） ； ・-&( 设 备 驱 动 开 发 在 常 见 平 台 下 有 较 好 的 软 件 包 支 持 。 例 如 *4H 下 可 直 接 调 用 -&(D;4H 函 数 ， T;<U
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基于计算机的数据采集系统可以依据与计算机 的 接 口 不 同 而 分 类 。 以 目 前 工 程 应 用 来 看 ， 基 于 (+$ 总线的系统虽然带宽足够低速采集使用， 但是由于主 板 生 产 商 趋 向 于 不 再 支 持 (+$ ， 面 临 被 P+D 接 口 产 品 取 代 的 趋 势 。 而 高 速 数 据 采 集 系 统 主 要 还 是 基 于 -&( 总线传输数据。这主要是 由 于 -&( 总 线 相 对 于 其 它 总线有以下几个优点： ・-&( 总 线 得 到 了 广 泛 的支持； ・ -&( 总 线 目 前 @!D;Q ，
功能。如果需要两根串行线传输方案， 国家半导体也 提 供 复 用 比 可 达 到 #? C # 与 # C #? 的 复 用 与 解 复 用 不需要内部编 80*+ 器 件 。 80*+ 器 件 使 用 比 较 方 便 ， 程与外部的逻辑控制， 在 -&D 版 图 设 计 时 注 意 差 分 信 号线基本等长、 匹配电阻等问题即可正常工作。
数据采集是信息处理系统的最前端， 对于一般的 数据采集任务有通用的数据采集系统可供选用。 但是 由于数据源以及用户需求的多样性， 通用的采集设备 不可能总能满足定制要求。 例如一个项目需要采集由 一 块 高 速 >>& 图 像 处 理 板 送 来 的 数 据 ， 数 据 传 输 速 率 必 须 稳 定 到 #" F DM-+8 ‘ 8 ， 数 据 源 为 一 个 远 端 （ O" 2 左右） 设备发送的连续数据流， 要求所设计的数据采 集系统必须能够现场采集， 远程传输， 并实时地存储 海量数据。 本系统的核心部分为高速远距离传输和数据采 集两个部分。
64VH 下 有 非 常 好 的 开 发 辅 助 软 件 包 ， 而 8;<W2 直 接 提 供 类 似 于 -&(D;4H 的 函 数 可 供 开 发 者 调 用 。 目 前 市 场 上 常 见 的 有 $%&& 、 -81 、 &,-./++ 等 公
司的桥芯片。经过一段时间的使用与比较， 各个型号 的 -&( 接 口 芯 片 的 大 致 特 点 如 表 # 所 示 。 一 般 来 说 X 基 于 -&( 总 线 的 板 卡 可 以 分 成 信 息 处 理 板 与 数 据 采 集 板 。对 于 二 者 的 设 计 思 想 以 及 相 应 的
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时钟校正后跳入 错误检测状态
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通 信 产 品 系 列 。 符 合 *0D I$+( 、 $7% 、 +%-7/ I!JB% 、 用于构建符合这些标准的通讯产品的 /+&)K 等 标 准 ， 物 理 层 。 标 准 的 :)7L;<= 产 品 数 据 传 输 速 率 范 围 为 支持同轴电缆、 双绞线以及光纤接口。 #>" M ?"" %NFH ， 传 输 距 离 与 传 输 介 质 有 关 。用 双 绞 线 以 及 同 轴 电 缆 可 以 传 输 #""MJ""A， 光纤传输可以达到数公里。具体工 作原理是： 在发送端将八位输入数据串行输出， 接收端 重 新 组 合 。发 送 端 无 有 效 数 据 时 自 动 发 送 空 数 据 ， 接收 端根据码流自动恢复时钟。外部逻辑可以监视恢复时 钟是否失同步，一旦失同步即可控制接收端重新同步 时 钟 ， 而 且 :)78;< = 产 品 的 一 大 特 点 是 可 以 实 现 数 据 流与指令流的分离。 实际 :)78;< = 的 理 论 误 码 率 为 零 ， 误码来自于内部时钟失同步以及外部环境电磁干扰。
:)7;<= 第 二 代 产 品 可 以 支 持 #J""%NFH 的 传 输 速率，支持 O 位、 #> 位 、 @! 位 数 据 接 口 ， 性 能 大 大 提 高 。当 然 基 于 : ) 7 8 ; < = 设 计 通 讯 产 品 难 度 相 对 要 大 一 些， 应 用 :)78;<= 传 输 系 统 需 要 比 较 复 杂 的 外 部 状 态