基于FPGA的雙備份多路數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字集成電路速度的提高，實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，但在一些特殊條件下，無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，必須使用存儲(chǔ)測(cè)試方法。該方法是在不影響被測(cè)對(duì)象或在允許的范圍下，將微型存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)置入被測(cè)體內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)完成信息的快速采集與存儲(chǔ)，并回收存儲(chǔ)器，由計(jì)算機(jī)處理，再現(xiàn)被測(cè)信息的一種動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)[1]。實(shí)際應(yīng)用中，由于在不同的條件下對(duì)采樣速率和采樣精度的要求有所不同，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法也各有特點(diǎn)。為了增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)回收的可靠性，本文介紹了基于雙備份存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

1 技術(shù)要求

在某飛行體遙測(cè)系統(tǒng)中,為了獲取飛行體的參數(shù)，需要設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)對(duì)23路模擬信號(hào)的采集、編幀存儲(chǔ)。要求輸入信號(hào)電平為0~5 V，系統(tǒng)總采樣率為245.76 kHz, 記錄時(shí)間不小于500 s，對(duì)速變信號(hào)的采樣率為5.12 kHz,緩變信號(hào)的采樣率為160 Hz, 23路模擬量信號(hào)輸入中包括9路速變信號(hào)和14路緩變信號(hào)。

2 整體方案的設(shè)計(jì)

信號(hào)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)是基于雙備份的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)而成，整個(gè)系統(tǒng)以FPGA為核心控制器，控制數(shù)據(jù)的采集、編幀存儲(chǔ)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1采編器電路的設(shè)計(jì)

采編器[2]主要完成對(duì)各種被測(cè)信號(hào)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼、邏輯控制和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)控制，分為速變、緩變信號(hào)采集模塊和采集控制模塊，兩者通過(guò)內(nèi)部總線(xiàn)相連。

速變、緩變信號(hào)采集模塊主要完成23路輸入模擬信號(hào)的調(diào)理、選擇、A/D采集等功能,包括輸入接口電路、濾波跟隨電路、模擬通道切換電路、信號(hào)調(diào)理電路等。

采集控制模塊完成模擬信號(hào)的A/D采集控制、編幀、內(nèi)部時(shí)序控制等功能，包括長(zhǎng)線(xiàn)接口電路、控制電路、存儲(chǔ)器接口電路、幀結(jié)構(gòu)下載電路等。

采編器的主控器件采用XC2S100E型現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA),該器件體積小、功耗低、內(nèi)部延時(shí)小，全部控制邏輯由硬件自動(dòng)完成，編程配置靈活，可實(shí)現(xiàn)程序的并行執(zhí)行，因而可大大提高系統(tǒng)的工作性能。該采編器的電壓采集范圍為0~+5 V，采集精度不低于0.1%。由于FPGA本身不具備A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此各通道的模擬信號(hào)分別經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后，由模擬多路開(kāi)關(guān)ADG506選擇模擬通道，再經(jīng)外部高速AD7667實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)編幀后輸出到存儲(chǔ)器中。具體的每幀數(shù)據(jù)由各路模擬信號(hào)和幀標(biāo)記FDB1 8540組成。采編器的電源由電源模塊提供的5 V電壓經(jīng)TPS70351調(diào)理后產(chǎn)生。

采編器電路框圖如圖2所示。

2.2存儲(chǔ)器電路的設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器主要完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，存儲(chǔ)器包括兩套獨(dú)立的存儲(chǔ)電路A、B片，兩者互為備份。每套存儲(chǔ)器內(nèi)包括與采編器相連的長(zhǎng)線(xiàn)接口、FPGA和Flash存儲(chǔ)芯片。該雙備份設(shè)計(jì)能進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)回收的可靠性。

存儲(chǔ)器電路框圖如圖3所示。

技術(shù)要求總采樣率約250 kHz，記錄時(shí)間不小于500 s， A/D采集的有效位數(shù)為16 bit，則一個(gè)采樣周期(即4 μs)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為2 B， 則1 s的數(shù)據(jù)量為1×106×2/4=500 000 B,則500 s內(nèi)的記錄數(shù)據(jù)量為2.5×108 B=238.5 MB， 可見(jiàn)容量為256 MB的閃存芯片便可滿(mǎn)足記錄要求，本設(shè)計(jì)采用SAMSANG公司的Flash存儲(chǔ)芯片K9K8G08U0M，存儲(chǔ)容量達(dá)1 GB，是為了留出存儲(chǔ)余量，這樣就為以后系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)展提供可行性解決方案。