基于FPGA的管道内检测器数据采集存储系统设计

管道内检测器论文 FPGA论文 LVDS差分信号论文
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管道运输作为一种安全、经济运输方式,被我国广泛应用于天然气、石油等能源的运输。由于长时间的介质腐蚀和磨损,运输管道会出现一定程度的损伤,甚至可能发生重大的泄漏事故。而管道运输的安全关系着国家的经济及财产的安全,所以针对这种情况,管道内检测器的研究及发展就显得尤为重要起来。本文针对漏磁管道内检测器,采用当今发展迅速的FPGA,利用其高速的并行处理能力,设计实现管道内检测数据的高速并行采集和存储。首先,根据管道内检测器的外部结构,规划出数据采集和存储系统的总体设计方案,包括前端数据采集单元、中端数据传输单元和后端数据存储单元;然后,根据系统的设计方案,介绍了系统中FPGA的选型、PCI接口实现方式、主控单片机的功能及电路、温度记录功能、姿态记录功能以及FPGA的供电模块设计和DCDC系统电源转换模块的选择,系统地说明了系统中各功能的硬件实现方案。根据本系统的硬件设计,利用VerilogHDL语言编写了包括集束器端FPGA和主控FPGA的各种接口模块逻辑及缓存模块逻辑,实现了16-5路SPI数据并行接收,5路LVDS串行收发器高速串行传输以及基于PCI9054的FPGA与PC104的PCI接口通讯,并根据接口协议之间不同的数据位宽或读写速度,结合乒乓操作等逻辑设计技巧,设计了相应的缓存模块,实现了不同接口之间的数据无缝缓冲。针对系统中存在差分信号传输、PCI接口传输等相对复杂的PCB设计,分析讨论了LVDS差分信号传输线及PCI接口信号传输线的PCB设计方法;根据系统结构,设计了集束器FPGA板卡、主控FPGA和上下连接信号板卡的PCB图。最后,对集束器FPGA与主探头之间的SPI传输、主控FPGA与PC104之间的PCI传输进行了硬件上的逻辑验证,验证了系统数据传输的可靠性,证明了FPGA实现高速数据采集存储系统的可行性。
摘要第3-4页
ABSTRACT第4页
第一章 绪论第7-13页
    1.1 管道运输现状及检测意义第7-8页
    1.2 管道内检测技术的国内外研究发展第8页
    1.3 漏磁管道内检测器原理及结构第8-10页
    1.4 管道内检测器数据采集存储系统第10-11页
    1.5 本文主要工作第11-13页
第二章 数据采集存储系统硬件设计第13-26页
    2.1 数据采集存储系统设计方案第14-16页
        2.1.1 前端主探头数据采集单元和后端IDOD 探头单元设计第14页
        2.1.2 中端集束器数据传输单元设计第14-15页
        2.1.3 后端数据存储单元设计第15-16页
    2.2 数据采集存储系统硬件实现第16-25页
        2.2.1 Altera 的FPGA 选型第16-18页
        2.2.2 PCI 接口设计第18-19页
        2.2.3 主控单片机设计第19-22页
        2.2.4 温度记录功能设计第22页
        2.2.5 姿态记录功能设计第22-23页
        2.2.6 DCDC 电源转换模块第23页
        2.2.7 FPGA 供电模块设计第23-25页
    2.3 本章小结第25-26页
第三章 数据采集存储系统逻辑设计第26-46页
    3.1 Altera 的FPGA 逻辑设计流程第27-28页
    3.2 集束器FPGA 总体逻辑设计第28-36页
        3.2.1 多路SPI 接收模块设计第29-32页
        3.2.2 FIFO 缓存模块设计第32-33页
        3.2.3 LVDS 差分串行收发器设计第33-36页
    3.3 主控FPGA 缓存逻辑设计第36-40页
        3.3.1 FIFO 中间缓存模块第36页
        3.3.2 汇总控制模块设计第36-38页
        3.3.3 RAM 缓存模块设计第38-40页
    3.4 PCI9054 本地端控制模块第40-42页
    3.5 主控FPGA 逻辑设计总体评估第42页
    3.6 逻辑设计技巧第42-44页
        3.6.1 全局时钟网络第42-43页
        3.6.2 同步逻辑设计第43页
        3.6.3 逻辑复制第43-44页
    3.7 本章小结第44-46页
第四章 系统PCB 设计第46-57页
    4.1 差分信号传输的PCB 设计第46-48页
    4.2 主控FPGA 板卡PCI 传输的PCB 设计第48-50页
    4.3 集束器FPGA 板卡设计第50-52页
    4.4 记录仪内部PCB 板卡设计第52-55页
        4.4.1 记录仪内部结构第52页
        4.4.2 主控FPGA 板卡设计第52-54页
        4.4.3 主控FPGA 板卡信号层定义及抗干扰措施第54页
        4.4.4 上下底板连接信号定义及PCB 设计第54-55页
    4.5 本章小结第55-57页
第五章 系统数据传输实验分析第57-64页
    5.1 集束器FPGA 的SPI 传输频率测试第58-60页
    5.2 主控FPGA 与PC104 的PCI 传输测试第60-62页
    5.3 本章小结第62-64页
第六章 全文总结及未来展望第64-67页
    6.1 本文完成的工作第64-65页
    6.2 未来展望第65-67页
参考文献第67-70页
发表论文和参加科研情况说明第70-71页
致谢第71页
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