基于FPGA的測量數(shù)據(jù)存儲交換技術(shù)

現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)采用基于芯片的設(shè)計(jì)方法，具有穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)、可以反復(fù)編程、易于修改等特點(diǎn)，極大地增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性，提高了設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)速度；大容量串行flash存儲芯片價(jià)格低，管腳少，結(jié)構(gòu)簡單，使用SPI對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，方便了硬件規(guī)劃，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，減少了轉(zhuǎn)換噪聲，縮小了封裝尺寸，也節(jié)省了大量的FPGA的I/O口。兩者的有效結(jié)合可以使得大量數(shù)據(jù)的存儲交換更加高效穩(wěn)定可靠。

1 設(shè)計(jì)背景

在筆者的多通道工頻場強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測儀項(xiàng)目中，需要在無人監(jiān)控的情況下，長期定時(shí)采集高壓架空線和變電站周圍的電磁場強(qiáng)度及溫濕度數(shù)據(jù)，并及時(shí)進(jìn)行存儲處理，隨時(shí)供上位機(jī)通過UART訪問分析。這必然涉及到大量測量數(shù)據(jù)的存儲交換。本設(shè)計(jì)選用ALTRERA公司的Cyclone系列芯片EP1C3T144C8作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和交換，選用ATMEL公司的串行flash—AT45DB041B，用以對測量數(shù)據(jù)的存儲。本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，闡述利用FPGA和大容量串行flash存儲芯片的優(yōu)點(diǎn)，有效解決大量測量數(shù)據(jù)存儲交換問題的方法。

2 芯片介紹

2.1 EP1C3T144C8

EP1C3T144C8采用了基于全層銅SRAM工藝，支持多種I／O標(biāo)準(zhǔn)，2 910個LEs，1個內(nèi)部PLL，13個M4K RAM塊，59 904個RAM位，104個可供使用的I/O。

2.2 AT45DB041B

2.2.1 基本原理

該存儲器主要由主存儲器和兩個264B的緩存構(gòu)成，主存儲器容量約為4Mbit，分為2 048頁，每頁也為264B。
AT45DB041B具有多種封裝形式，圖1是SOIC-8封裝下的管腳圖。其各管腳的定義與功能如下：

1腳：SI，串行數(shù)據(jù)輸入端；
2腳：SCK，串行時(shí)鐘信號。數(shù)據(jù)在SCK上升沿輸入，下降沿輸出；
3腳：復(fù)位信號，低電平有效。由于芯片內(nèi)部有上電復(fù)位電路，不用時(shí)此管腳可直接接高電平；
4腳：片選信號，低電平有效；
5腳：寫保護(hù)信號，低電平有效。若此腳為低，則主存儲區(qū)前256頁不能被擦寫編程，如果不用此功能，可直接接高電平；
6腳：VCC，電源輸入端；
7腳：GND，電源地；
8腳：SO，串行數(shù)據(jù)輸出端。

2.2.2 器件操作

AT45DB041B的操作命令分為讀命令、編程和擦寫命令以及附加命令，其具體的指令和讀寫操作方式很多文章和資料已有介紹，限于篇幅，本文只將要用到的命令作簡要的介紹。

(1)讀主存儲區(qū)

不經(jīng)過緩沖區(qū)讀主存儲區(qū)任一頁，緩沖區(qū)內(nèi)容不會改變。指令格式后續(xù)的SCK信號將使數(shù)據(jù)依次從SO端輸出。如果讀到了指定頁的最后字節(jié)，將自動跳回到頁首起始位置，循環(huán)讀取。整個過程中，/CS必須保持為低電平，/CS從低到高的跳變將中止讀操作，并三態(tài)SO引腳。

(2)連續(xù)讀主存儲區(qū)

不經(jīng)過緩沖區(qū)直接讀任意存儲單元的內(nèi)容，緩沖區(qū)內(nèi)容也不會改變。指令格式后續(xù)的SCK時(shí)鐘信號將使數(shù)據(jù)依次從SO端輸出。如果讀到了整個主存儲區(qū)的最后字節(jié)，將自動跳回主存儲區(qū)起始位置，循環(huán)讀取，頁與頁之間及主存儲區(qū)首尾之間沒有延時(shí)。整個過程中，/CS必須保持為低電平，/CS從低到高的跳變將中止讀操作，并三態(tài)SO引腳。

(3)寫緩沖區(qū)

數(shù)據(jù)能夠通過SI端被寫入任意一個緩沖區(qū)。當(dāng)寫到緩沖區(qū)結(jié)尾后仍有數(shù)據(jù)寫入時(shí)，數(shù)據(jù)將從緩沖區(qū)起始字節(jié)依次寫入。只要/CS保持為低，在SCK時(shí)鐘信號配合下，數(shù)據(jù)將一直循環(huán)寫入，/CS從低到高的跳變將中止寫操作。

(4)緩沖區(qū)寫入主存儲頁(帶擦除)

事先寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)可通過編程寫到主存儲頁中。當(dāng)指令寫完后，/CS由0變?yōu)?時(shí)，芯片首先擦除待寫入頁，然后再將指定緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)寫入主存儲頁。頁擦除和寫入操作由內(nèi)置時(shí)鐘控制，最長時(shí)間為tEP。

2.2.3 時(shí)序

AT45DB041B的命令、地址、附加位和數(shù)據(jù)都是通過SI、SO引腳以位的形式輸入和輸出的，因此要采用FPGA產(chǎn)生讀寫時(shí)序時(shí)除正確理解其操作過程外，另一個關(guān)鍵點(diǎn)在于正確理解位的發(fā)送和接收時(shí)序，也就是數(shù)據(jù)如何按位移入或移出AT45DB041B。工作于SPI的inactive clock polarity high模式的時(shí)序如圖2所示。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 硬件接線

硬件電路如圖3所示。EP1C3T144C8的I/O和AT45DB041B的SI、SO、SCK、/RST、/CS引腳相連，/WP接高電平，實(shí)現(xiàn)對串行flash的讀寫操作；再由TXD、RXD通過MAX232和9芯串口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)UART通信，完成數(shù)據(jù)的交換工作。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

一般的串行flash存儲芯片提供了許多操作命令，可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)目的選擇不同的操作命令組合，實(shí)現(xiàn)對串行flash存儲芯片的不同操作，滿足不同的設(shè)計(jì)要求。

在本設(shè)計(jì)中，要定時(shí)地采集高壓架空線和變電站周圍的電磁場強(qiáng)度及溫濕度數(shù)據(jù)，每次12個字節(jié)，并進(jìn)行及時(shí)的存儲處理，隨時(shí)供上位機(jī)通過UART讀取。

在Quartus II中用VHDL編寫FPGA與AT45DB041B的接口程序，其程序框圖如圖4所示。

寫操作使用了寫緩沖區(qū)和緩沖區(qū)寫入主存儲頁(帶擦除)兩個命令。寫信號到時(shí)將規(guī)定寫入的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)后，立即將緩沖區(qū)寫入主存儲頁；寫完之后，再將當(dāng)前的位置信息（主存儲區(qū)頁地址和頁內(nèi)行地址）通過緩沖區(qū)寫到主存儲區(qū)的最后一頁，供每次程序啟動時(shí)讀取來恢復(fù)存儲器的狀態(tài)，之后就進(jìn)入idle狀態(tài)。

讀操作使用了讀主存儲區(qū)和連續(xù)讀主存儲區(qū)命令。讀存儲區(qū)是為了恢復(fù)每次寫入的位置信息，以便在程序復(fù)位后繼續(xù)接著寫入數(shù)據(jù)或讀取數(shù)據(jù)；讀信號到即發(fā)送連續(xù)讀主存儲區(qū)命令，每讀完一個字節(jié)便通過串口發(fā)送到上位機(jī)，接到串口發(fā)送完當(dāng)前字節(jié)信號后，再繼續(xù)讀下一字節(jié)。當(dāng)讀完寫操作時(shí)記錄的主存儲區(qū)當(dāng)前頁或上位機(jī)給出發(fā)送出錯信號時(shí)，結(jié)束讀操作。

程序的實(shí)現(xiàn)采用了VHDL中的狀態(tài)機(jī)（state machine），它是描述一系列狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)序電路，它能夠很好地完成本設(shè)計(jì)中各狀態(tài)的條件的判斷和轉(zhuǎn)換。在程序設(shè)計(jì)過程中要特別注意幾個問題：

(1)程序剛啟動時(shí)的延時(shí)：這是為了使芯片工作在inactive clock polarity high模式，保證芯片的正常運(yùn)行；

(2)讀過程中的延時(shí)：由于對flash訪問的時(shí)鐘（AT45DB041B可達(dá)20MHz）和用于UART發(fā)送的波特率（本設(shè)計(jì)中為9 600b/s）速度不匹配，而如果不作延時(shí)處理，直接給一個周期的UART發(fā)送使能，發(fā)送模塊就可能在自身時(shí)鐘的邊沿捕捉不到發(fā)送使能信號，為了保證正常發(fā)送，必須對發(fā)送使能信號進(jìn)行延時(shí)；

(3)寫過程中的延時(shí)：由于擦除主存儲區(qū)并將緩沖區(qū)寫入所需的最長時(shí)間為tEP，為了確保每次都將數(shù)據(jù)成功寫入，必須延時(shí)一段時(shí)間tEP再轉(zhuǎn)入其他狀態(tài)。

VHDL實(shí)現(xiàn)的基于RS232標(biāo)準(zhǔn)的UART簡單穩(wěn)定可靠，有很多文獻(xiàn)資料可供參考，這里不再贅述。

本文采用FPGA結(jié)合VHDL編程來模擬SPI接口時(shí)序的方法實(shí)現(xiàn)了對大容量串行存儲器的訪問，在UART的配合下完成了對大量測量數(shù)據(jù)的存儲交換工作，并在筆者設(shè)計(jì)的儀表中成功地應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠高效。這里雖然是以ATMEL公司的AT45DB041B為例，但使用相同的方法，對一系列其他類型的串行存儲芯片如Megawin公司的flash存儲器MM36SBO10等，也可以進(jìn)行類似的操作，對以后解決此類問題具有一定的參考價(jià)值。