基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言
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(shí)時(shí)處理大量的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。但是，在一些惡劣環(huán)境和數(shù)據(jù)無法進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸?shù)那闆r下，還必須用到存儲(chǔ)測試的方法。存儲(chǔ)測試是指在對(duì)被測對(duì)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(chǔ)測試系統(tǒng)，現(xiàn)場實(shí)時(shí)完成信息快速采集與存儲(chǔ)，事后對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行回收，由計(jì)算機(jī)處理和再現(xiàn)被測信息的一種動(dòng)態(tài)測試技術(shù)。針對(duì)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(chǔ)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)以FPGA為核心控制器來組織工作，它控制著整個(gè)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(chǔ)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(shí)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行采集，我們采取了FPGA對(duì)模擬開關(guān)進(jìn)行均等時(shí)間推進(jìn)以實(shí)現(xiàn)通道的轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換到某一通道時(shí)，FPGA同時(shí)要啟動(dòng)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(shí)序
AD采集時(shí)序圖如下圖3所示。AD采集過程從／CNVST信號(hào)下降沿開始，BUSY信號(hào)下降沿完成，BYTE信號(hào)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(gè)WRFIFO信號(hào)，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(gè)WRCLK信號(hào)，此時(shí)數(shù)據(jù)為高8位數(shù)據(jù)，一個(gè)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換完成。圖3 AD采集時(shí)序圖

1．3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，我們采用閃存(FLASH Memory)作為存儲(chǔ)器．它具有體積小、功耗低和數(shù)據(jù)不易丟失的特點(diǎn)。對(duì)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(chǔ)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(shí)準(zhǔn)確的寫／kFLASH，而不至于在頁與頁的交替時(shí)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(hào)和幀計(jì)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(shí)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(jì)成寬度為一個(gè)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)。