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信息技術(shù)的發(fā)展，特別是各種數(shù)字處理器件處理速度的提高，實時處理大量的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為現(xiàn)實。但是，在一些惡劣環(huán)境和數(shù)據(jù)無法進(jìn)行實時傳輸?shù)那闆r下，還必須用到存儲測試的方法。存儲測試是指在對被測對象無影響或影響在允許的范圍條件下，在被測體內(nèi)置入微型存儲測試系統(tǒng)，現(xiàn)場實時完成信息快速采集與存儲，事后對存儲器進(jìn)行回收，由計算機(jī)處理和再現(xiàn)被測信息的一種動態(tài)測試技術(shù)。針對具體的情況，我們研制開發(fā)了一種用蓄電池就可工作的、能在各種惡劣環(huán)境下應(yīng)用的、可回收的小體積低功耗的大容量數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)。 1 系統(tǒng)總體設(shè)計 整個系統(tǒng)以FPGA為核心控制器來組織工作，它控制著整個系統(tǒng)的讀、寫、擦除等操作。系統(tǒng)主要解決的問題是采集、存儲和數(shù)據(jù)事后讀取。系統(tǒng)整體框圖如下圖1所示。 1．1 數(shù)據(jù)采集 由于要同時對多路信號進(jìn)行采集，我們采取了FPGA對模擬開關(guān)進(jìn)行均等時間推進(jìn)以實現(xiàn)通道的轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換到某一通道時，F(xiàn)PGA同時要啟動A／D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。為了達(dá)到高精度采集的目的，采用16位的AD轉(zhuǎn)換器AD762l，模擬開關(guān)選用ADG706。以下是AD轉(zhuǎn)換器的硬件電路連接圖2。 1．2 AD采集時序 AD采集時序圖如下圖3所示。AD采集過程從／CNVST信號下降沿開始，BUSY信號下降沿完成，BYTE信號控制數(shù)據(jù)類型，低電平為低8位數(shù)據(jù)，高電平為高8位數(shù)據(jù)。延遲0．9us給出第一個WRFIFO信號，WRFIF0高電平有效，在此期間數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)為低8位數(shù)據(jù)，經(jīng)過1．8us的低電平后，給出第二個WRCLK信號，此時數(shù)據(jù)為高8位數(shù)據(jù)，一個數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換完成。圖3 AD采集時序圖 1．3 數(shù)據(jù)存儲 對數(shù)據(jù)的存儲，我們采用閃存(FLASH Memory)作為存儲器．它具有體積小、功耗低和數(shù)據(jù)不易丟失的特點(diǎn)。對FLASH的寫操作過程有其固定的操作模式，如圖3所示。由于FLASH是按頁存儲的，當(dāng)一頁寫完之后要進(jìn)行下一頁的控制字和地址的重新寫入，為了使采集回來的數(shù)據(jù)能及時準(zhǔn)確的寫／kFLASH，而不至于在頁與頁的交替時間內(nèi)使數(shù)據(jù)丟失．所以不可能將采集回的數(shù)據(jù)直接存入FLASH，我們利用FPGA內(nèi)部集成FIF0來緩存FLASH MEMORY編程期間A／D控制器上傳的數(shù)據(jù)，A／D轉(zhuǎn)換器總的采樣率為12KSPS，精度為12位，加上通道號和幀計數(shù)，每秒鐘A／D控制器上傳到FIF0的數(shù)據(jù)為34KB。FLASH MEMORY最大編程時間為300us。在FLASH MEMORY編程期間A／D轉(zhuǎn)換器上傳到FIF0的數(shù)據(jù)為：34KB×300us=10．2B。因此FPGA內(nèi)部集成FIF0設(shè)計成寬度為一個字節(jié)，深度為1024的異步FIFO，即總?cè)萘繛?KB，完全能夠緩存FLASH MEMORY編程期間A／D控制器上傳的數(shù)據(jù)。 FPGA內(nèi)部集成FIFO是由存儲器、地址比較器、寫地址控制器和讀地址控制器構(gòu)成，原理框圖如4所示。 其中存儲器是由兩個寬度為4位、深度為1024的雙口RAM采用并聯(lián)的方式構(gòu)成的。連接方法如圖5所示。 通過DIA端口將數(shù)據(jù)寫入雙口RAM，通過DOB端口將數(shù)據(jù)讀出，WEA和JENA接VCC，即接高電平，使雙口RAM的A部分工作在寫入狀態(tài)，在CLKA的上升沿通過DIA將數(shù)據(jù)寫入雙口RAM；WEB接GND，即接低電平；ENB接VCC，即接高電平，使雙口RAM的B部分工作在輸出狀態(tài)，在CLKB的上升沿通過DOB將數(shù)據(jù)輸出雙口RAM。 1．4 數(shù)據(jù)的分區(qū)存儲 本系統(tǒng)采用一片F(xiàn)LASH存儲器，該芯片有128M Byte的容量，根據(jù)計算32M Byte的容量就可以把需要采集的數(shù)據(jù)全部記錄下來，所以把存儲器按其塊地址順序分為4個區(qū)，每個區(qū)均為32M Byte。測試系統(tǒng)上電復(fù)位后首先進(jìn)入的是自檢狀態(tài)，每次順序檢測第1區(qū)中是否有數(shù)據(jù)，如果沒有則把該次啟動的采集的數(shù)據(jù)順序?qū)懭氲趌區(qū)中，直到第1區(qū)存儲完成，則停止記錄并且系統(tǒng)斷電。斷電后再一次啟動采集也一樣首先檢測第一塊中是否有數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)則檢測下一塊是否有數(shù)據(jù)，若沒有數(shù)據(jù)，則順序把從FIFO中上傳的導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)寫入存儲器，如果有數(shù)據(jù)，則依次地址跳到下下一塊，采集滿則停止，依次類推，直到把4個區(qū)都寫入了數(shù)據(jù)，則不論怎么啟動采集也不會把數(shù)據(jù)覆蓋再寫入，除非執(zhí)行擦除操作把存儲器中的數(shù)據(jù)清空。 這種多次啟動系統(tǒng)，存儲器分區(qū)記錄的技術(shù)使系統(tǒng)具有一定的冗余設(shè)計，雖然不能從根本上消除誤啟動而造成整個試驗的失敗，但是該技術(shù)在實際試驗中具有十分重大的意義。 2 系統(tǒng)的灌封技術(shù) 采集存儲系統(tǒng)需工作在高溫高壓等惡劣環(huán)境下，因此最重要的是它的防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用了抗高沖擊的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，主要包括：緩沖保護(hù)技術(shù)、灌封保護(hù)技術(shù)，力求能夠最好的保護(hù)好存儲模塊。圖7是采集存儲器的可靠性結(jié)構(gòu)示意圖。圖7采集存儲器可靠性結(jié)構(gòu)示意圖 3 創(chuàng)新性說明 本文介紹了一種基于FPGA的多路數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的設(shè)計方法及其可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計，該系統(tǒng)存儲容量大，體積小，可工作在高溫、高壓、強(qiáng)沖擊、強(qiáng)振動、高過載等惡劣環(huán)境下。采用了存儲器分區(qū)存儲技術(shù)，可以避免誤操作將有用數(shù)據(jù)覆蓋。該系統(tǒng)已投入使用，性能優(yōu)，值得推廣。 |
