車載CAN總線記錄儀的大容量存儲系統(tǒng)設(shè)計

引言
CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))總線是德國Bosch公司在20世紀(jì)80年代初，為了解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它的短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非破壞性總線性仲裁技術(shù)以及靈活的通信方式適應(yīng)了汽車的實(shí)時性和可靠性要求，倍受汽車生產(chǎn)廠商的青睞。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，汽車上的ECU(Electronic Control Unit，電子控制單元)越來越多，如電控燃油噴射系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)、防滑控制系統(tǒng)等，相應(yīng)的數(shù)據(jù)量也越來越大，如何采用合理的存儲方案是記錄儀等大容量存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文詳細(xì)闡述了大容量存儲系統(tǒng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件電路設(shè)計。利用“FPGA+單片機(jī)”作為存儲控制器，采用基于LZW算法的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，以SDRAM作為周期存儲和緩存，SD卡作為最終存儲載體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該存儲系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用于車載信息記錄儀。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
如圖1所示，存儲系統(tǒng)主要包括以下模塊：FPGA主控模塊、CAN總線監(jiān)聽控制模塊、數(shù)據(jù)壓縮模塊、SDRAM控制模塊和單片機(jī)控制CH376模塊。本文主要介紹存儲部分，CAN總線監(jiān)聽控制模塊不做介紹。圖中，點(diǎn)畫線內(nèi)的部分均由FPGA控制。后端SD卡由MSP430單片機(jī)控制，SD協(xié)議芯片采用CH376。FPGA控制CAN總線控制芯片、CAN總線收發(fā)器從總線上獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮模塊壓縮，存入SDRAM里。這里采用兩種存儲模式：一種是利用SDRAM存儲的可覆蓋性進(jìn)行周期存儲，具體存儲周期由壓縮率和SDRAM容量決定；另一種是直接存儲，SDRAM作為緩存。當(dāng)選擇直接存儲時，F(xiàn)PGA與單片機(jī)通信，利用FIFO給單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)控制CH376將數(shù)據(jù)存入SD卡(存儲時間由SD卡容量決定)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 FPGA主控模塊
FPGA選用Altera公司的Cyclone II系列芯片EP2C5T14418N，它具有內(nèi)部資源豐富、速度快的特點(diǎn)。上電后，主控模塊使能CAN總線監(jiān)聽控制模塊、數(shù)據(jù)壓縮模塊、SDRAM控制模塊。如果選擇周期存儲，則不使能單片機(jī)；若選擇直接存儲，則讓單片機(jī)處于低功耗狀態(tài)，當(dāng)SDRAM有數(shù)據(jù)時FPGA把數(shù)據(jù)發(fā)給單片機(jī)，并使其控制CH376工作。
2．2 數(shù)據(jù)壓縮模塊
壓縮算法采用LZW算法。該算法是一種基于字典的壓縮算法，在數(shù)據(jù)的壓縮過程中會根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)動態(tài)地建立一個字典。后續(xù)輸入的數(shù)據(jù)都會在這個字典中進(jìn)行匹配查找，根據(jù)查找是否成功決定壓縮編碼的輸出。該算法的巧妙之處在于，壓縮過程中動態(tài)建立的字典不需要與壓縮數(shù)據(jù)流一道進(jìn)行傳輸和存儲，然而在對數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓時也能夠通過壓縮數(shù)據(jù)流重新建立一個字典，來完成解壓縮。LZW壓縮算法流程如圖2所示。根據(jù)該流程，采用C語言設(shè)計壓縮與解壓縮軟件以驗(yàn)證算法和硬件壓縮的正確性，用Verilog語言編寫了壓縮代碼，利用FPGA內(nèi)部RAM資源建立字典。LZW壓縮算法的硬件邏輯功能框圖如圖3所示。