基于FPGA的多通道同步數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)

1 引言

　　在現(xiàn)代信號(hào)處理系統(tǒng)中，多通道數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種商用以及工業(yè)領(lǐng)域中，特別是在艦上系統(tǒng)、彈上設(shè)備及艦上部分系統(tǒng)中，往往產(chǎn)生寬帶信號(hào)或上升沿下降沿較陡的模擬信號(hào)。對(duì)這樣的模擬信號(hào)往往需要將其數(shù)字化后傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值和頻譜分析，并給出具體的分析報(bào)告。同時(shí)，這些信號(hào)往往要對(duì)一些相關(guān)信號(hào)同時(shí)測(cè)量，相關(guān)分析得到信號(hào)間的相關(guān)信息，這就需要同步采集多通道信號(hào)，并能準(zhǔn)確無(wú)誤存儲(chǔ)?，F(xiàn)在絕大多數(shù)采集系統(tǒng)，只能循環(huán)采集多路信號(hào)，不能實(shí)時(shí)同步采集多通道的同一個(gè)采樣點(diǎn)。這樣不能滿(mǎn)足對(duì)多通道信號(hào)進(jìn)行相關(guān)信息的分析，而多通道同步數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)恰恰彌補(bǔ)了傳通采集系統(tǒng)的不足之處。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)多通道同步數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)。系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA主控模塊控制采集模塊同步采集多通道數(shù)據(jù)，把采集到的數(shù)據(jù)寫(xiě)到外部FIFO中。FIFO半滿(mǎn)后，F(xiàn)PGA讀取FIFO中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入Flash存儲(chǔ)器中。該設(shè)計(jì)方案選用FPGA作為主模塊，主要是考慮FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程特性，使用靈活方便，能夠降低硬件電路設(shè)計(jì)難度。

　　2．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　多通道同步數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括以下部分：

　　(1)多通道同步數(shù)據(jù)采集模塊 選用AD781采樣保持器完成多通道數(shù)據(jù)采樣保持，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。A／D轉(zhuǎn)換器選用16位的ADS8401，可提高采樣精度，有利于分析采集數(shù)據(jù)。

　　(2)大容量存儲(chǔ)模塊 采用SUMSUNG公司的K9K8G08U0M型Flash作為存儲(chǔ)器，使用IDT7206作為采集數(shù)據(jù)緩存。

　　(3)外圍電路 主要包括晶振、電壓轉(zhuǎn)換器TPS70358及輸入輸出接口等。

　　其中，系統(tǒng)采集的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的同步實(shí)時(shí)采集，其主要邏輯由FPGA主控模塊控制。存儲(chǔ)模塊中所采用的壞塊檢測(cè)技術(shù)，可提高Flash存儲(chǔ)的可靠性。

　　3 多通道同步數(shù)據(jù)的采集

　　在執(zhí)行多通道同步數(shù)據(jù)采集時(shí)，其電路如圖2所示。其主要工作流程：多路模擬信號(hào)經(jīng)運(yùn)放調(diào)理電路后進(jìn)入采樣保持器。在每個(gè)周期的開(kāi)始，F(xiàn)PGA通過(guò)編程輸出脈沖至采樣保持器(AD781)和模擬電子開(kāi)關(guān)(ADG706)，也就是使用采樣保持器的S/H控制信號(hào)進(jìn)行多路同步采樣(S/H=1)和保持(S/H=0)，同時(shí)控制模擬開(kāi)關(guān)的A0～A3 4個(gè)選通信號(hào)，來(lái)選通相應(yīng)通道。選通后的信號(hào)同時(shí)由FPGA的控制進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器(ADS8401)采集單路16 bit量化，最后將采集到的數(shù)據(jù)寫(xiě)到外部FIFO緩存器中。也就是說(shuō)，F(xiàn)PGA通過(guò)編程定時(shí)邏輯送出脈沖至采樣保持器對(duì)模擬輸入采樣，然后選擇一個(gè)通道的模擬輸入，完成A/D轉(zhuǎn)換?？傊瓼PGA提供采樣保持、多路選通和A／D轉(zhuǎn)換電路模塊所需的各種狀態(tài)和控制時(shí)序邏輯。

　　多通道同步數(shù)據(jù)采集模塊的程序主要采用Verilog HDL語(yǔ)言，Verilog HDL是用于邏輯設(shè)計(jì)的硬件描述語(yǔ)言，并且已成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)。FPGA重點(diǎn)控制Verilog HDL程序算法的實(shí)現(xiàn)。程序主要包括采樣率計(jì)數(shù)循環(huán)控制、各路模擬開(kāi)關(guān)選通的設(shè)計(jì)，幀計(jì)數(shù)以及幀標(biāo)志的循環(huán)控制。采樣保持器采樣保持一次，經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)計(jì)數(shù)循環(huán)控制，模擬開(kāi)關(guān)依次選通。選通后的單路信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入外部FIFO中?？紤]到事后數(shù)據(jù)處理等問(wèn)題，所采集的數(shù)據(jù)以一定的幀格式寫(xiě)入FIFO中，每一幀數(shù)據(jù)有幀計(jì)數(shù)和幀標(biāo)志。每一幀的長(zhǎng)度以及幀標(biāo)志的選擇，可以根據(jù)需要靈活選定。

　　4 多通道同步數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

　　根據(jù)系統(tǒng)要求，需采用SUMSUNG公司的K9K8G08U0M型Flash作為存儲(chǔ)器。由于1 G的Flash出廠時(shí)帶有一些初始化無(wú)效塊(包含一個(gè)或多個(gè)壞位的存儲(chǔ)塊)，它被定義為包含一個(gè)或多個(gè)無(wú)效位的存儲(chǔ)塊，制造商不能保證這些無(wú)效塊具有可靠性。由于NAND型Flash存儲(chǔ)容量較大，難免在使用過(guò)程中出現(xiàn)存儲(chǔ)單元的損壞。為保證寫(xiě)入數(shù)據(jù)的可靠性，為系統(tǒng)提供真實(shí)準(zhǔn)確的參數(shù)，該系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊采用的關(guān)鍵技術(shù)是Flash的壞塊檢測(cè)技術(shù)。系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA主控模塊首先對(duì)Flash進(jìn)行擦除操作。在擦除過(guò)程中，對(duì)每塊壞塊標(biāo)志位進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)使用過(guò)程中又出現(xiàn)的壞塊進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以便以后使用。擦除模塊具體程序流程如圖3所示。

　　多通道同步數(shù)據(jù)采集后，數(shù)據(jù)以一定的幀格式寫(xiě)入Flash。在Flash執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)，首先檢測(cè)每塊的壞塊標(biāo)志。如果壞塊標(biāo)志是非0XFF時(shí)，該塊是壞塊則跳過(guò)，繼續(xù)檢測(cè)下一塊：如果壞塊標(biāo)志是0XFF時(shí)，則讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，寫(xiě)入Flash中。在對(duì)Flash執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)，嚴(yán)格按照Flash的時(shí)序控制要求，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確寫(xiě)入。

　　系統(tǒng)中在擦除過(guò)程中對(duì)壞塊進(jìn)行檢測(cè)或標(biāo)識(shí)，在數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)再讀取標(biāo)志進(jìn)行寫(xiě)操作，這樣能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)采集速度要求。如果使用的Flash容量更大并且要求速度較快，這樣的操作有可能不能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。這時(shí)可以在擦除過(guò)程中，對(duì)壞塊的位置進(jìn)行標(biāo)識(shí)并建立壞塊表并隨時(shí)更新。在對(duì)Flash進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，無(wú)需先讀取壞塊位置的標(biāo)識(shí)。只需對(duì)壞塊表使用算法進(jìn)行遍歷即可，這樣可節(jié)約對(duì)Flash進(jìn)行讀操作的時(shí)間，提高系統(tǒng)存儲(chǔ)速度。

　　5 結(jié)論

　　詳細(xì)介紹系統(tǒng)組成，其創(chuàng)新點(diǎn)在于采集模塊的多通道同步性以及存儲(chǔ)模塊Flash的壞塊檢測(cè)技術(shù)。該系統(tǒng)已成功用于作戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)聲目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)中，對(duì)于其他方面的應(yīng)用，此設(shè)計(jì)思想具有較強(qiáng)的借鑒意義。