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[導(dǎo)讀]摘要:針對高速信號實時采集存儲的需求,設(shè)計了一種高速信號采集記錄儀。記錄儀通過高速A/D轉(zhuǎn)換器對信號進行采樣,并實時存入NAND FLASH存儲陣列中。為提高數(shù)據(jù)存儲速率,綜合采用并行總線、交錯雙平面頁編程、多級

摘要:針對高速信號實時采集存儲的需求,設(shè)計了一種高速信號采集記錄儀。記錄儀通過高速A/D轉(zhuǎn)換器對信號進行采樣,并實時存入NAND FLASH存儲陣列中。為提高數(shù)據(jù)存儲速率,綜合采用并行總線、交錯雙平面頁編程、多級流水線等技術(shù),大幅提升FLASH的寫入速度。記錄儀可實現(xiàn)8bit、200MSPS的采樣速率,并可將速率為200MB/s的采樣數(shù)據(jù)實時存儲。

關(guān)鍵詞:高速采樣;高速存儲;NANDFLASH

0 引言

目前在各工業(yè)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)采集存儲的需求越來越多,對采集速率和存儲速率的要求也越來越高。特別是在航空航天領(lǐng)域,經(jīng)常要對高速信號進行采集,并將采集數(shù)據(jù)實時存儲在非易失存儲器之中,以便事后分析處理。

為滿足需求,本文提出一種高速信號采集記錄儀的設(shè)計方法。采用高速A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號進行200MSPS的高速采樣,然后將采樣數(shù)據(jù)實時存入 FLASH存儲陣列中。綜合采用了并行總線、交錯雙平面頁編程、多級流水線等技術(shù),大幅提升FLASH的寫入速度,從而實現(xiàn)200MB/s采樣數(shù)據(jù)的實時存儲記錄。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 記錄儀系統(tǒng)組成

圖1為記錄儀系統(tǒng)組成框圖,記錄儀電路系統(tǒng)主要由FPGA電路、時鐘電路、高速采集電路、高速存儲電路、電源電路、其他外圍電路等組成。

 


PGA選用Xilinx公司的XC4VSX55,PLL時鐘芯片選用TI公司CDCF5801A,A/D轉(zhuǎn)換器選用TI公司ADS5547,NAND FLASH存儲芯片選用三星公司K9WAG08U1A,USB控制芯片選用CYPR ESS公司CY7C68013A。

1. 2 記錄儀工作原理

系統(tǒng)的工作原理為:上電后,F(xiàn)PGA首先讀取NOR FLASH中存儲的NAND FLASH壞塊信息,在內(nèi)部RAM中建立壞塊表,之后每次需要對NAND FLASH進行讀寫操作之前,都要先查詢壞塊表,若準(zhǔn)備操作的塊為壞塊,則跳到下一塊繼續(xù)查詢,直到找到好塊才進行操作。

當(dāng)需要采集記錄信號時,先通過外接的鍵盤和LCD顯示模塊設(shè)置采樣參數(shù)。然后記錄儀接收到啟動信號后開始進行采樣記錄,需采樣信號從SMA接口輸入后經(jīng)過差分放大器轉(zhuǎn)換為差分信號,然后進入A/D轉(zhuǎn)換器進行200MSPS采樣,F(xiàn)PGA接收采樣數(shù)據(jù),采樣4級流水線對NAND FLASH存儲陣列進行寫入操作。此外FPGA還需完成對其他外圍器件的控制。

當(dāng)需要上傳數(shù)據(jù)時,F(xiàn)PGA將數(shù)據(jù)從NAND FLASH中讀出,通過USB控制芯片將數(shù)據(jù)上傳給上位機。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高速A/D采樣

記錄儀采用的A/D轉(zhuǎn)換器為TI公司的14bit、210MSPS的高速A/D芯片ADS5547。系統(tǒng)中實際采用的采樣時鐘頻率為200MHz,由50MHz晶振時鐘通過CDCF5801A倍頻產(chǎn)生。

ADS5547采用的工作模式為LVDS DDR模式,即在A/D輸出時鐘的下降沿傳輸采樣數(shù)據(jù)的奇位,在上升沿傳輸采樣數(shù)據(jù)的偶位,所以實際數(shù)據(jù)傳輸頻率為400MHz,對于這種高速數(shù)據(jù)傳輸,在PCB設(shè)計時需注意7對差分?jǐn)?shù)據(jù)線和1對差分時鐘線保持等長,確保跡線傳輸延時相同。

在FPGA數(shù)據(jù)接收模塊的設(shè)計中,直接調(diào)用芯片中的IDDR原語,如圖2所示,其在SAME EDGE工作模式下的時序正好匹配ADS5547的數(shù)據(jù)輸出時序,所以可將7路DDR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為14bit并行數(shù)據(jù),考慮到NAND FLASH的寫入速度,在存儲時截取采樣數(shù)據(jù)的高8位,這樣需要存儲數(shù)據(jù)的速率為200MR/s。

 


2.2 高速數(shù)據(jù)存儲

記錄儀采用的非易失存儲器為三星公司的NANDFLASH芯片K9WAG8U1A,單片容量為2GB。由于單片F(xiàn)LASH的存儲容量和寫入速度有限,所以使用了16片F(xiàn)LASH成存儲陣列,總?cè)萘繛?2GB,并綜合采用了并行總線、交錯雙平面頁編程、多級流水線等技術(shù)提升寫入速度。

(1)并行總線

為了提升數(shù)據(jù)吞吐量,將N片F(xiàn)LASH芯片的I/O并行操作,總線寬度增加為單片的N倍,并共用讀寫控制線,這樣可將N片F(xiàn)LASH當(dāng)做一片大位寬 FLASH同時進行讀寫操作,從而可以將寫入速度提升至N倍。在該記錄儀中,是將8片F(xiàn)LASH的I/O并行操作,每片F(xiàn)LASH的數(shù)據(jù)位寬為8bit,所以總位寬為64bit,寫入速率可提高為單片的8倍。平均數(shù)據(jù)寫入周期只需達(dá)到40ns即可實現(xiàn)200MB/s的數(shù)據(jù)速率,滿足FLASH的25ns最小寫入周期要求。

(2)交錯雙平面頁編程

NAND FLASH的寫入操作是以頁為單位進行的,稱為頁編程操作,分為兩階段進行。第一階段為數(shù)據(jù)載入階段,是將數(shù)據(jù)先寫入到頁寄存器中,第二階段為編程階段,是將數(shù)據(jù)從頁寄存器中真正編程到FLASH的存儲單元之中。數(shù)據(jù)載入頁寄存器時最高速率可達(dá)到40MB/s(單片),但數(shù)據(jù)編程階段所需時間為 200~700μs,若等待一頁編程完成之后再進行下一頁數(shù)據(jù)的載入會嚴(yán)重降低數(shù)據(jù)寫入速率。為充分利用編程階段的時間,并且增加數(shù)據(jù)載入時間以便于流水線操作,采用了交錯雙平面頁編程方法。

每片K9WAG08U1A實際上是由2片K9K8G08U0A組成,而每片K9K8G08U0A又由2片K9F4G08U0A組成,每片 K9F4G08U0A又由2個2Gb的存儲平面組成,每個存儲平面有獨立的2112字節(jié)頁寄存器,因此可實現(xiàn)雙平面頁編程操作,而2片 K9F4G08U0A之間可以實現(xiàn)交替操作。K9K8G08U0A存儲平面如圖3所示,Plane0和Plane1組成第1片 K9F4G08U0A,Plane2和Plane3組成第2片K9F4G08U0A。

 


當(dāng)進行FLASH編程操作時,先發(fā)送雙平面編程指令,然后Plane0和Plane1進行數(shù)據(jù)載入,載入完成后進入編程階段。此時無需等待編程結(jié)束,直接對Plane2和Plane3繼續(xù)進行數(shù)據(jù)載入,即可實現(xiàn)交錯雙平面頁編程。操作時序如圖4所示。

(3)多級流水線

運用交錯雙平面頁編程方式后,可以連續(xù)進行4頁的數(shù)據(jù)載入操作,但載入完成后整片K9WAG08U1A的4個平面都將進入編程階段,無法繼續(xù)進行操作。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)載入,采用了多級流水線技術(shù)。

實現(xiàn)流水線操作首先要對FLASH存儲陣列進行分組。由于每片F(xiàn)LASH是由2片K9K8G08U0A組成,所以存儲陣列可以看作由32片K9K8G08U0A組成,把每8片K9K8G08U0A分為一組,在讀寫時并行操作,這樣整個存儲陣列分為四組,如圖5所示。

 


流水線操作方法如圖6所示。FLASH進行寫入時,首先通過片選信號選中第1組FLASH,進行數(shù)據(jù)載入操作,載入完成后,該組FLASH進入編程階段,此時切換片選信號,選中第2組FLASH,繼續(xù)進行數(shù)據(jù)載入,依此類推。由于采用了交錯雙平面頁編程方式,所以每個載入過程可以載入4頁的數(shù)據(jù),而采用并行總線之后,位寬為64bit,即每個寫周期可寫入8Bytes的數(shù)據(jù),按照200MB/s的數(shù)據(jù)速率計算,每個載入階段的時間為:

 


當(dāng)?shù)?組FLASH的載入過程完成后,距離第1組FLASH開始編程時已過去983μs,大于最長編程時間700μs,所以第1組可繼續(xù)開始數(shù)據(jù)載入操作。通過流水線操作,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的連續(xù)載入,從而大幅提高了寫入速度,實現(xiàn)了200MB/s的數(shù)據(jù)存儲速率。

3 試驗驗證

為驗證記錄儀的性能,進行了數(shù)據(jù)采集試驗。試驗中采用信號發(fā)生器產(chǎn)生周期為100ns的正弦信號輸入記錄儀,記錄儀對其進行實時采集存儲,采集時間為 5s,即產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為1GB。采集完成后,在上位機軟件中發(fā)出上傳指令讀取FLASH中的數(shù)據(jù),并通過USB接口上傳到上位機形成二進制數(shù)據(jù)文件。然后截取其中的一段波形進行顯示,如圖7所示。

 


在圖中可以看到,正弦信號的每個周期對應(yīng)20個點,而采樣周期為5ns,所以20個點為100ns,與設(shè)置的信號周期相一致,說明記錄儀實現(xiàn)了200MSPS的采樣速率和200MB/s的數(shù)據(jù)存儲速率。

4 結(jié)論

設(shè)計了一種高速信號采集記錄儀,該記錄儀可 實現(xiàn)8bit,200MSPS的采樣率,并可對采樣數(shù)據(jù)實時存儲。其電路系統(tǒng)可由單板實現(xiàn),具有體積小,便于攜帶和應(yīng)用的優(yōu)點。該記錄儀適用于各種需要高速信號采集的場合,應(yīng)用前景廣泛。

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