高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中高速緩存與海量緩存的實現(xiàn)

   摘要：探討了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中高速采樣緩存的重要性和實現(xiàn)途徑，闡述了基于ADSP-21065L的并行多通道數(shù)據(jù)采集板上高速采樣緩存的設(shè)計與電路結(jié)構(gòu)，給出了采用FPGA實現(xiàn)通道復(fù)用和采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理，從而構(gòu)造16MB的SDRAM海量緩存以將高速緩存中的多批次采樣數(shù)據(jù)經(jīng)AD-21065L倒入SDRAM存儲的實現(xiàn)方法。

    關(guān)鍵詞：高速數(shù)據(jù)采集；高速緩存；海量緩存；DSP；FPGA

１　引言

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前已在雷達(dá)、聲納、軟件無線電、瞬態(tài)信號測試等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它的關(guān)鍵技術(shù)是高速ＡＤＣ技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲與傳輸技術(shù)和抗干擾技術(shù)。本文在分析了高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存儲子系統(tǒng)的性能要求和設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，提出了高速緩存和海量緩存方案，并將該方案成功地應(yīng)用于ＤＳＰ多通道超聲信號采集與處理系統(tǒng)中。

對高速多通道采樣數(shù)據(jù)存儲的性能要求：一是高速性，現(xiàn)在高速數(shù)據(jù)采集中所用的ＡＤＣ已達(dá)到幾十甚至幾百ＭＳＰＳ的水平，這就要求采樣數(shù)據(jù)存儲器的速度也要與之匹配，也就是采用高速緩存；二是大容量，其原因是多通道高速數(shù)據(jù)采集會產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)流。一個４通道４０ＭＨｚ采樣率１６位精度數(shù)據(jù)采集板并行采樣０．１ｓ將產(chǎn)生３２ＭＢ的數(shù)據(jù)量，所以，通常需要海量緩存來存儲采樣數(shù)據(jù)。

２　高速緩存的實現(xiàn)

通常構(gòu)成高速緩存的方案有三種：

第一種是ＦＩＦＯ（先進(jìn)先出）方式。ＦＩＦＯ存儲器就象數(shù)據(jù)管道一樣，數(shù)據(jù)從管道的一頭流入、從另一頭流出，先進(jìn)入的數(shù)據(jù)先流出。ＦＩＦＯ具有兩套數(shù)據(jù)線而無地址線，可在其一端寫操作而在另一端讀操作，數(shù)據(jù)在其中順序移動，因而能夠達(dá)到很高的傳輸速度和效率，且由于省去了地址線而有利于ＰＣＢ板布線。缺點是只能順序讀寫數(shù)據(jù)，因而顯得比較呆板，而且大容量的高速ＦＩＦＯ非常昂貴；

第二種是雙口ＲＡＭ方式。雙口ＲＡＭ具有兩套獨(dú)立的數(shù)據(jù)、地址和控制總線，因而可從兩個端口同時讀寫而互不干擾，并可將采樣數(shù)據(jù)從一個端口寫入而由ＤＳＰ從另一個端口讀出。雙口ＲＡＭ也能達(dá)到很高的傳輸速度，并且具有隨機(jī)存取的優(yōu)點，缺點是大容量的高速雙口ＲＡＭ很難得且價格昂貴；

第三種是高速ＳＲＡＭ切換方式。高速ＳＲＡＭ只有一套數(shù)據(jù)、地址和控制總線，可通過三態(tài)緩沖門分別接到Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和ＤＳＰ上。當(dāng)Ａ／Ｄ采樣時，ＳＲＡＭ由三態(tài)門切換到Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器一側(cè)，以使采樣數(shù)據(jù)寫入其中。當(dāng)Ａ／Ｄ采樣結(jié)束后，ＳＲＡＭ再由三態(tài)門切換到ＤＳＰ一側(cè)以便ＤＳＰ進(jìn)行讀寫。這種方式的優(yōu)點是ＳＲＡＭ可隨機(jī)存取，同時較大容量的高速ＳＲＡＭ容易得到且價格適中，缺點是切換控制電路比較復(fù)雜，且只能由Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和ＤＳＰ分時讀寫。

    綜合考慮以上三種高速緩存方案的性能、價格和實現(xiàn)方便性后，筆者選用第三種方案（即高速ＳＲＡＭ切換方式）來構(gòu)成Ａ／Ｄ采樣高速緩存。系統(tǒng)的采樣與存儲部分的原理框圖如圖１所示。

圖１中，ＳＲＡＭ選用ＩＳ６１ＬＶ２５６１６－１０Ｔ，容量為２５６ｋ×１６ｂｉｔ，訪問速度為１０ｎｓ，使用兩片即可構(gòu)成２５６ｋ×３２ｂｉｔ的高速緩存。當(dāng)一輪采樣開始時，ＤＳＰ發(fā)出觸發(fā)信號給ＣＰＬＤ，后者對５０ＭＨｚ晶振時鐘二分頻后得到２５ＭＨｚ采樣時鐘提供給４路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器ＡＤ９２２５，同時對４路超聲信號進(jìn)行２５ＭＨｚ、１２ｂｉｔ的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果分成兩個完全一樣的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行處理，每個數(shù)據(jù)通道處理兩路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)果，每個數(shù)據(jù)通道包含一片ＦＰＧＡ（現(xiàn)場可編程門陣列）、一片ＳＲＡＭ及其后的數(shù)據(jù)三態(tài)門等電路。ＦＰＧＡ可接收兩路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)果并在其內(nèi)部進(jìn)行復(fù)用，以將其變成一路５０ＭＨｚ、１２ｂｉｔ的數(shù)據(jù)流送入ＩＳ６１ＬＶ２５６１６緩存。ＦＰＧＡ完成數(shù)據(jù)通道復(fù)用的原理如圖２所示。

ＦＰＧＡ選用ＥＰ１Ｋ５０，它的邏輯門數(shù)為５萬門，內(nèi)含１０個ＥＡＢ（嵌入陣列塊）。每個ＥＡＢ實際上是４ｋｂｉｔ的ＲＡＭ，可以用來構(gòu)造ＦＩＦＯ、雙口ＲＡＭ等。本系統(tǒng)應(yīng)用兩塊ＥＡＢ構(gòu)成了兩個２５６×１６ｂｉｔ的ＦＩＦＯ，因而可將兩路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)果分別送入兩個ＦＩＦＯ，然后在ＦＰＧＡ的輸出端將兩個ＦＩＦＯ中的數(shù)據(jù)交替地讀出寫入ＩＳ６１ＬＶ２５６１６，每個ＦＩＦＯ每次讀出１２８個采樣數(shù)據(jù)。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的輸出為１２位數(shù)據(jù)，而ＦＰＧＡ的片內(nèi)ＦＩＦＯ和片外ＩＳ６１ＬＶ２５６１６的數(shù)據(jù)字寬都為１６位。在存儲、傳送時，將高４位補(bǔ)０即可。兩路Ａ／Ｄ采樣速度都為２５ＭＨｚ，復(fù)用后輸出的速率為５０ＭＨｚ，這個速度對于ＩＳ６１ＬＶ２５６１６和ＥＰ１Ｋ５０都是完全可以達(dá)到的。ＦＰＧＡ的作用除了構(gòu)造ＦＩＦＯ以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通道復(fù)用外，還可以作為協(xié)處理器由板上ＤＳＰ控制來進(jìn)行一些簡單高效的數(shù)據(jù)預(yù)處理（如插值、取平均、ＦＩＲ濾波等）。同時可使用ＥＤＡ工具ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ１０．０來對ＥＰ１Ｋ５０的邏輯算法進(jìn)行設(shè)計、編譯并仿真，然后下載到ＥＰ１Ｋ５０中實現(xiàn)預(yù)定功能。

除了ＦＰＧＡ外，系統(tǒng)還采用了一片ＣＰＬＤ（復(fù)雜可編程邏輯器件）來控制采樣。前者主要用于數(shù)據(jù)通道對Ａ／Ｄ采樣結(jié)果進(jìn)行緩沖復(fù)用以及預(yù)處理，后者則負(fù)責(zé)產(chǎn)生Ａ／Ｄ采樣時鐘以及作為地址計數(shù)器產(chǎn)生地址并提供給兩片ＩＳ６１ＬＶ２５６１６以便存入Ａ／Ｄ采樣結(jié)果等。ＣＰＬＤ不象ＦＰＧＡ那樣能完成較復(fù)雜的邏輯功能和信號處理算法，但是它具有更高的速度，且管腳到管腳具有固定一致的時延，因而在設(shè)計調(diào)試時容易獲得簡單可靠的定時關(guān)系，適于實現(xiàn)高速計數(shù)器、觸發(fā)器、譯碼器等定時要求比較嚴(yán)格的場合。本系統(tǒng)使用ＭＡＸ７１２８ＡＥ來控制采樣，其可實現(xiàn)的功能如圖３所示。

ＭＡＸ７１２８ＡＥ可用于實現(xiàn)兩個１８位地址計數(shù)器，它具有地址總線開關(guān)切換功能，在Ａ／Ｄ采樣期間能以２５ ＭＨｚ的頻率進(jìn)行地址計數(shù)以作為高速緩存的地址線。當(dāng)一輪Ａ／Ｄ采樣結(jié)束后，系統(tǒng)可將高速緩存的地址總線切換到ＤＳＰ的地址總線，然后由ＤＳＰ讀取高速緩存中的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)果并進(jìn)行處理。高速緩存ＩＳ６１ＬＶ２５６１６的數(shù)據(jù)總線一方面連到ＦＰＧＡ以便在采樣期間接受復(fù)用的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)果；一方面則通過三態(tài)門連到ＤＳＰ的數(shù)據(jù)總線以便在采樣結(jié)束后由ＤＳＰ讀取采樣數(shù)據(jù)。

３　海量緩存的設(shè)計實現(xiàn)

本系統(tǒng)使用了兩片２５６ｋ×１６ｂｉｔ容量的ＳＲＡＭ作為高速緩存，系統(tǒng)中的４個通道可同時存儲每通道１２８ｋ點采樣數(shù)據(jù)。在２５ＭＨｚ的采樣頻率下，一次可采集存儲５ｍｓ多的波形數(shù)據(jù)。對于超聲信號的單次發(fā)射／接收來說，這種采樣時間長度已經(jīng)足夠了，但是對于多批次采樣數(shù)據(jù)的存儲就比較困難了。若要通過ＰＣＩ總線、ＵＳＢ接口等快速通訊方式將采樣數(shù)據(jù)傳到主機(jī)進(jìn)行處理或存入硬盤，則應(yīng)滿足實時傳輸采樣數(shù)據(jù)所需要的巨大總線帶寬。以２５ＭＨｚ、１２ｂｉｔ采樣精度為例，４個通道同時采樣將產(chǎn)生１５０ＭＢ／ｓ的數(shù)據(jù)流，這對于任何總線來說都難以做到。解決的辦法是在數(shù)據(jù)采集板上采用ＤＳＰ對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以使處理后的數(shù)據(jù)量大大減少，然后再上傳給主機(jī)以減輕總線傳輸壓力和主機(jī)處理負(fù)擔(dān)，從而避免數(shù)據(jù)通訊瓶頸。這種由板上ＤＳＰ執(zhí)行計算密集型任務(wù)并由上位主機(jī)進(jìn)行調(diào)度管理的分布式處理機(jī)制可廣泛用于許多高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中。而為板上ＤＳＰ配備大容量內(nèi)存來作為它的程序和數(shù)據(jù)存儲器是十分必要的?？紤]到本系統(tǒng)所用ＤＳＰ的結(jié)構(gòu)特點和大容量采樣數(shù)據(jù)的存儲需要，筆者選用ＳＤＲＡＭ作為板上海量內(nèi)存。

系統(tǒng)中的ＤＳＰ為Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ公司的ＡＤＳＰ－２１０６５Ｌ，這是一款性價比很高的３２位浮點ＤＳＰ。其峰值浮點運(yùn)算速度為１８０Ｍ ＦＬＯＰＳ，片內(nèi)帶有６８ｋＢ的ＲＡＭ，可用于程序或數(shù)據(jù)內(nèi)存，片外數(shù)據(jù)總線為３２位，片外地址總線為２４位，具有４個片選信號輸出，每個片選信號的尋址空間可達(dá)６４ＭＢ，另外，它還具有多個高速同步串口以及強(qiáng)大的ＤＭＡ功能。而最有特色的一點是其內(nèi)部集成了一個ＳＤＲＡＭ控制器，因此能夠直接驅(qū)動外部ＳＤＲＡＭ。通常ＳＤＲＡＭ的控制是比較復(fù)雜的，需要按時序規(guī)定驅(qū)動它的行、列選通線并分時提供行、列地址，另外還要定時刷新。一般是由專門的ＳＤＲＡＭ控制器對其操作，或采用ＦＰ-ＧＡ設(shè)計ＳＤＲＡＭ控制器，但這都會增大系統(tǒng)的復(fù)雜度。而ＡＤＳＰ－２１０６５Ｌ能直接驅(qū)動和控制片外ＳＤＲＡＭ，使用時只要在程序中設(shè)置好相關(guān)的寄存器，然后用一條指令啟動ＳＤＲＡＭ的上電時序即可。此后程序?qū)Γ樱模遥粒偷脑L問操作都是透明的，可象訪問普通片外ＳＲＡＭ一樣訪問它，因此非常方便，故可使用大容量（可達(dá)６４ＭＢ）高速廉價的ＳＤＲＡＭ芯片作為ＡＤＳＰ－２１０６５Ｌ的海量片外存儲器。本系統(tǒng)使用兩片４Ｍ×１６ｂｉｔ的ＳＤＲＡＭ芯片ＨＹ５７Ｖ６４１６２０來構(gòu)成１６ＭＢ的海量緩存（參見圖１）。這樣，１６ＭＢ的存儲容量如果都用來轉(zhuǎn)存采樣數(shù)據(jù)的話，可以存儲４個通道同時采集的２Ｍ點數(shù)據(jù)，在２５ＭＨｚ的采樣率下可達(dá)到０．０８ｓ的總記錄時間，這對于本系統(tǒng)而言已經(jīng)足夠了。而且通過選用更大容量的ＳＤＲＡＭ芯片還可方便地將海量緩存的容量擴(kuò)充到３２ＭＢ、６４ＭＢ。

為了將多次Ａ／Ｄ采樣數(shù)據(jù)從高速緩存轉(zhuǎn)送到海量緩存，如果讓ＡＤＳＰ－２１０６５Ｌ用指令的方式從片外高速緩存中讀取采樣數(shù)據(jù)，然后寫入片外海量緩存，將會大量占用ＡＤＳＰ的運(yùn)行時間，而且傳輸速度也較慢。為此，筆者采用ＡＤＳＰ的ＤＭＡ功能進(jìn)行傳送。ＡＤＳＰ－２１０６５Ｌ具有多個ＤＭＡ通道（其中包括兩個外部口ＤＭＡ通道），因而可進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。它的外部口ＤＭＡ通道本來就可以完成外存與外設(shè)之間的ＤＭＡ傳輸，但是若二者之一是ＳＤＲＡＭ則不行。所以，實際使用時一般通過ＡＤＳＰ－２１０６５Ｌ的片內(nèi)ＲＡＭ來中轉(zhuǎn)，然后再完成高速緩存到海量緩存的數(shù)據(jù)傳輸，具體做法如圖４所示。

ＡＤＳＰ內(nèi)部開設(shè)有１ｋ×３２ｂｉｔ的ＲＡＭ塊構(gòu)成中轉(zhuǎn)區(qū)，可利用外部口ＤＭＡ通道０進(jìn)行Ａ／Ｄ高速緩存到片內(nèi)ＲＡＭ的ＤＭＡ傳輸，同時利用外部口ＤＭＡ通道１來進(jìn)行片內(nèi)ＲＡＭ區(qū)到海量緩存ＳＤＲＡＭ的ＤＭＡ傳輸。在６０ＭＨｚ的ＡＤＳＰ主頻下，前者的ＤＭＡ傳輸速度可達(dá)１２０ＭＢ／ｓ，后者的ＤＭＡ傳輸速度可達(dá)２４０ＭＢ／ｓ。當(dāng)外部口ＤＭＡ通道０完成一次傳輸后，系統(tǒng)將啟動外部口ＤＭＡ通道１的ＤＭＡ傳輸；而當(dāng)后者的ＤＭＡ傳輸完成后?系統(tǒng)將再次啟動前者的ＤＭＡ傳輸。如此循環(huán)下去，直至Ａ／Ｄ高速緩存中的１ＭＢ采樣數(shù)據(jù)都倒入ＳＤＲＡＭ海量緩存為止，該過程大約需要１３．１ｍｓ。

４　結(jié)論與改進(jìn)

通過對高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中幾種Ａ／Ｄ采樣高速緩存的實現(xiàn)方案進(jìn)行對比分析，結(jié)合本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和性能要求，采用ＳＲＡＭ作為Ａ／Ｄ高速緩存所構(gòu)成的采集系統(tǒng)具有速度高、容量大、控制方便、價格適中等優(yōu)點。選用高速、大容量、低價格的ＳＤＲＡＭ作為海量緩存則可通過其外部口ＤＭＡ通道將高速緩存中的采樣數(shù)據(jù)倒入海量緩存。這種設(shè)計使系統(tǒng)的Ａ／Ｄ采樣存儲兼具高速和海量的優(yōu)點，同時具有很高的性能價格比。而其尚存的不足之處是：ＡＤＳＰ和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器通過切換總線方式分時訪問高速緩存在一定程度上影響了系統(tǒng)的實時性。作為改進(jìn)措施可以引入雙體存儲交替訪問的方案，即再增加兩片ＩＳ６１ＬＶ２５６１６做成一組高速緩存以和已有的兩片ＩＳ６１ＬＶ２５６１６構(gòu)成雙體存儲區(qū)。由于該方式中的ＡＤＳＰ和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器以乒乓方式交替訪問這兩組緩存，因此，ＡＤＳＰ和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器能并行工作而無需互相等待，從而提高系統(tǒng)的實時性。