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

　　1 引言

　　近些年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，分布式無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始興起，并迅速的應(yīng)用到各個領(lǐng)域。在一些地形復(fù)雜，不適合人類出現(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擇無線分布式采集來進(jìn)行?，F(xiàn)有的無線分布式采集系統(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)，往往對于精確的定時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，為無線數(shù)據(jù)可靠傳輸提供了很好的實(shí)現(xiàn)平臺。采用FPGA作為時序控制和信號處理的處理器，將使系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)更加簡潔、可靠、靈活，可有效的縮短開發(fā)周期，并降低開發(fā)成本。

　　為此，基于CycloneIV+STM32設(shè)計(jì)了一種新型的無線分布式采集系統(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、無線收發(fā)電臺。在對編碼器、譯碼器同步校準(zhǔn)后，對待發(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)傳送通道同時發(fā)送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收端檢測到barker碼后，本地對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)，大大的降低譯碼時間)。譯碼結(jié)束后，本地對雙通道數(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)定時間給出相應(yīng)反饋信號。設(shè)計(jì)的無線采集系統(tǒng)，即使某一數(shù)據(jù)通道出現(xiàn)少量錯碼，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 無線分布式采集系統(tǒng)簡介

　　2.1 系統(tǒng)硬件簡介

　　無線分布式采集系統(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)和無線通信電臺。如圖1所示，這是一個最簡單的一對一式分布式系統(tǒng)。

　　圖1 無線分布式采集系統(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)來的命令進(jìn)行配置和采集，并將數(shù)據(jù)存儲至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，80個18×18乘法器，多達(dá)290個用戶自定義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器(多達(dá)1 MB閃存，高達(dá)192 KB的SRAM)，擁有3個12位ADC，2個DAC，1個低功耗RTC，12個通用16位定時器，2個通用32位定時器。人機(jī)交互部分由16X2液晶顯示字符模塊和4個按鍵組成，其主要功能是通過按鍵對基站編號設(shè)置并顯示在LCD上。無線模塊選用WSN-03系列無線模塊作為收發(fā)平臺，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，采樣信號電平范圍：差分輸人一2.5~+2.5 V。單個譯碼器有6個采集通道，以2 k采樣率，采樣時常16 S來計(jì)算，單個譯碼器純數(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時序，系統(tǒng)直接采用Quartus II自帶的“DDR2 SDRAM High-Performance Controller”IP CORE。USB部分由2個通道組成，一個是由FPGA、CY7C68013和USB接口組成;另一個由STM32(自帶USB驅(qū)動)和USB接口組成。同時本設(shè)計(jì)中還添加了RS485串口，使整個系統(tǒng)與上位機(jī)能保持實(shí)時通信，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)置各個譯碼器接收命令后的延時-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USB/RS485上傳至上位機(jī)。譯碼器節(jié)點(diǎn)配合計(jì)算機(jī)對各個點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行輪詢采集，它包含了無線傳輸模塊和與計(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)時監(jiān)控FPGA，如在規(guī)定時間或未能按指令進(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多的關(guān)系，譯碼器分時上傳數(shù)據(jù)，譯碼器有2個通道，譯碼器有唯一的配置編號。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、目的編號等。

　　圖3 編碼器、譯碼器間數(shù)據(jù)幀格式

　　為了改進(jìn)接收信號質(zhì)量，本系統(tǒng)引入信道編碼的方法來改善信道質(zhì)量。具體如圖4所示。發(fā)送端對數(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)送至無線通信電臺進(jìn)行調(diào)制。接收端的無線通信電臺對信號進(jìn)行解調(diào)后發(fā)送數(shù)據(jù)至接收端的FPGA.接收端的FPGA檢測到幀同步信息后對接下來的數(shù)據(jù)保存，并進(jìn)行Viterbi譯碼。FPGA對雙通道的數(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 無線數(shù)據(jù)傳輸

　　3 無線分布式采集系統(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元組碼字對應(yīng)的卷積碼輸出n元組碼字，m為編碼儲存度。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個接收通道，互不干擾。接收端對2個通道同時譯碼。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。以本設(shè)計(jì)為例，根據(jù)圖5,編碼器4個延時狀態(tài)(0，1)組成整個編碼器的16個狀態(tài)(D4D3D2D1)，每個狀態(tài)在編碼器輸入1或0時，跳轉(zhuǎn)到另一個狀態(tài)。并且輸出也隨之改變。譯碼就是編碼的逆過程。算法規(guī)定任意t時刻收到的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行32次路徑值計(jì)算、16次比較，比較后每個狀態(tài)只保存一個路徑值，為接下來計(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。考慮到每次譯碼后，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個周期還原出源碼。

　　在設(shè)計(jì)FPGA邏輯時，基本采用多條并行的流水線技術(shù)，譯碼部分包含4個子模塊：加比選模塊、回溯模塊、存儲模塊和時鐘控制模塊。路徑值的計(jì)算和比較在3個時鐘周期內(nèi)完成，4個模塊同時運(yùn)行，大大的降低了譯碼時間。另外，為了提高FPGA效率，系統(tǒng)加入采樣觸發(fā)信號，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，開始接收一幀數(shù)據(jù)，并寫入RAM中，同時計(jì)算CRC校驗(yàn)、幀完整性檢測、ID是否符合本地。上述檢測都沒問題時，對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[!--empirenews.page--]

　　3.2 同步的實(shí)現(xiàn)

　　為了保證編碼器和譯碼器之間能嚴(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。起止式同步比較簡單，一般在數(shù)據(jù)碼元的開始和結(jié)束位置加入特定的起始和停止脈沖來表示數(shù)據(jù)幀的開始和結(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)行同步識別時出現(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，允許出錯位數(shù)在1位以內(nèi)。設(shè)P為碼元錯誤概率，行為同步碼組的碼元數(shù)，m為判決其允許碼組中的錯誤碼元最大數(shù)，在本系統(tǒng)中行n=7，m=1。在P=0.01時，單一barker碼的漏同步概率為：

　　當(dāng)2組同步幀都滿足時，幀同步建立，接收端保 存接下來的數(shù)據(jù)。無線通信電臺與FPGA以rs485連接，如圖7所示，F(xiàn)PGA檢測X是否為“0”，當(dāng)檢測到“0”，不接收端對接下來的數(shù)據(jù)X與本地巴克碼對應(yīng)位進(jìn)行位異或運(yùn)算。當(dāng)檢測1 byte barker碼，錯1位以內(nèi)時，發(fā)出一value脈沖。當(dāng)檢測到2個value脈沖時，說明同步已建立，接收端開始存儲接下來的數(shù)據(jù)。

　　圖7 barler碼識別

　　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)就成為一個非常關(guān)鍵的問題。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(nRST)以及中斷信號線(INT)，其中控制總線包括使能信號(nOE)、片選信號(nCS)、讀信號(nRD)、寫信號(nWE)，這樣做的好處是，將FPGA芯片存儲器化，即STM32可通過對特定地址的訪問來控制FPGA工作，并且可通過共同的復(fù)位信號將STM32與FPGA芯片同時復(fù)位，盡量避免總線競爭和冒險(xiǎn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

　　圖8 STM32與FPGA連接

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

　　5 系統(tǒng)測試

　　編碼器實(shí)物如圖9所示。測試時搭建一對編碼、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_1

0010010_01100100_10011001_00100110_01001001_10010010_01100100_10011001_00100111_00111111;圖10顯示了測試中利用SignalTap II截取經(jīng)卷積編碼后輸出的部分信號波形。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)多次測試，數(shù)據(jù)傳輸正常，在少量不連續(xù)的錯碼情況下，系統(tǒng)能夠自動糾正。

　　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FPGA內(nèi)部邏輯控制，在硬件上實(shí)現(xiàn)了對兩路數(shù)據(jù)的實(shí)時校驗(yàn)及自動判選，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)簡單、實(shí)時性好，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。