基于FPGA的氣溶膠粒徑信息存儲系統(tǒng)的設計與實現

　時鐘分頻模塊（Freq）：時鐘輸入clk為50 MHz的有源晶振提供，經分頻轉化合適時鐘clock供給存儲控制模塊使用。
　粒子事件識別模塊：在GATE為有效電平期間，對DIFF信號計數，識別出事件1、事件2和事件3。
　飛行時間地址轉換模塊：ECL-TTL高速計數器的最高位T[12]位為1時，飛行時間為4 096 ns，被認為是超大粒子，超出儀器的測量范圍，該信號是以ORR作為飛行時間地址轉換模塊的一個輸入信號，用于識別事件4。該模塊在識別出事件1、事件2、事件3和事件4之后轉換成相應的地址，其中事件2為有效粒子情況，識別為該事件時，將不同飛行時間T[11..0]輸入轉換成不同的存儲器地址信號輸出，識別為事件1、事件3和事件4時為少數粒子的干擾情況，分別產生一固定的存儲器地址信號輸出。
雙端口RAM的存儲控制模塊：該模塊的主要功能是完成對內存RAM的控制[6-10]。由于兩粒子之間的時間間隔很短（GATE為低電平期間），在納秒量級，在如此短的時間內完成內存的讀寫控制以及復位等，是存儲器設計的一個難點。CYPRESS公司研制的64 K×16位高速低功耗CMOS型靜態(tài)雙口RAM芯片CY7C028可以滿足存儲設計的要求，一方面其存儲器的最大訪問時間12/15/20 ns，另一方面由于其容量高達64 KB，可以滿足存儲具有32 768種電子學特征信號的粒子信息，同時數據總線寬度為16位，故每一內存單元可以記錄的同一特征粒子數高達65 535個。而且配有雙端口，可以不必修改已設計完成的單片機端而擴展存儲器訪問控制功能，縮短開發(fā)周期[11]。出于儀器開發(fā)成本的考慮，下一目標是在FPGA內部實現雙口RAM的功能,節(jié)省硬件雙口RAM成本消耗。目前，為縮短開發(fā)周期，使用外部雙口RAM，在FPGA內部采用狀態(tài)機進行內存的訪問控制。雙口RAM訪問控制時，首先要注意最重要的問題是RAM兩端的控制器同時訪問同一內存單元而產生的競爭問題，其次就是要注意由于FPGA端與RAM連接的數據總線是雙向的，在空閑和讀取之前要注意賦值為高阻態(tài)。整個系統(tǒng)設計的流程如圖6所示。

Quartus II仿真波形結果如圖7所示。

在GATE信號為高電平期間對DIFF信號進行計數，如果DIFF脈沖數為2，粒子識別為事件2,便在DATE信號的下降沿鎖存飛行時間T,由T-Address模塊將其轉換成地址信號的輸出ADDR(如圖7中的192和512)，然后由存儲控制模塊完成讀寫控制后，發(fā)出復位信號對時間T進行清零,從而完成一次操作。如果GATE為高電平時，DIFF脈沖的個數為1或者3時，分別產生一固定地址輸出。如圖7中所示，DIFF為3時,地址固定輸出為1 023，盡管T值為384，DIFF為1時同理。可見，仿真波形結果與實際設計要求結果一致。

3 實驗結果分析
目前，該存儲系統(tǒng)已運行于本研究所自行研發(fā)的空氣動力學粒譜儀中。圖8給出了實測的顆粒物飛行時間譜分布結果，測量時間為2010年6月18日，地點為安徽省合肥市科學島中科院安徽光機所大樓室內，圖中橫坐標代表氣溶膠粒子的飛行時間，單位為納秒（ns），縱坐標代表各個不同飛行時間對應的氣溶膠粒子數，單位為個（pt）。其中，采樣氣流1 L/min（總氣流51 L/min，殼氣流41 L/min），采樣時間為30 s，將各個飛行時間粒子的粒子數相加求和得粒子總數為233 047個。圖中，實測氣溶膠粒子飛行時間譜的分布符合大氣氣溶膠常規(guī)分布這一特征，即氣溶膠粒子粒徑分布不完全是正態(tài)分布，而只是接近正態(tài)分布的特征[4]。

針對空氣動力學粒譜儀系統(tǒng)研制的需要，采用電子學多道存儲技術設計了一種基于核心控制器FPGA和雙口RAM的高速大容量存儲系統(tǒng),實現了對氣溶膠粒子的識別和空氣動力學粒徑信息的分類計數、存儲，存儲容量高達32 768道,每道計數深度達65 535個(16 bit)，完全滿足氣溶膠粒子的特征和個數要求。FPGA時鐘頻率高達50 MHz,完全能夠實現對大量粒子的快速識別和飛行時間在納秒級的地址轉換存儲，另外FPGA采用內部硬件電路完成邏輯控制，所以工作穩(wěn)定可靠，且功耗低。經過實際運行驗證，該存儲系統(tǒng)完全滿足儀器連續(xù)、實時、在線監(jiān)測的要求，工作穩(wěn)定可靠，實現了對氣溶膠粒徑測量，廣泛應用于環(huán)境空氣質量監(jiān)測、潔凈室檢測、氣溶膠特性研究及對大氣傳輸特性的研究等領域。