基于FPGA的高速数据采集存储系统的设计

0 引言
    信息技术的发展，特别是各种数字处理器件处理速度的提高，实时处理大量的数据已经成为现实。但是，在一些恶劣环境和数据无法进行实时传输的情况下，还必须用到存储测试的方法。存储测试是指在对被测对象无影响或影响在允许的范围条件下，在被测体内置入微型存储测试系统，现场实时完成信息快速采集与存储，事后对存储器进行回收，由计算机处理和再现被测信息的一种动态测试技术。针对具体的情况，我们研制开发了一种用蓄电池就可工作的、能在各种恶劣环境下应用的、可回收的小体积低功耗的大容量数据采集存储系统。

1 系统总体设计
    整个系统以FPGA为核心控制器来组织工作，它控制着整个系统的读、写、擦除等操作。系统主要解决的问题是采集、存储和数据事后读取。系统整体框图如下图1所示。

1．1 数据采集
    由于要同时对多路信号进行采集，我们采取了FPGA对模拟开关进行均等时间推进以实现通道的转换。当转换到某一通道时，FPGA同时要启动A／D进行模数转换。为了达到高精度采集的目的，采用16位的AD转换器AD762l，模拟开关选用ADG706。以下是AD转换器的硬件电路连接图2。

1．2 AD采集时序
    AD采集时序图如下图3所示。AD采集过程从／CNVST信号下降沿开始，BUSY信号下降沿完成，BYTE信号控制数据类型，低电平为低8位数据，高电平为高8位数据。延迟0．9us给出第一个WRFIFO信号，WRFIF0高电平有效，在此期间数据线上的数据为低8位数据，经过1．8us的低电平后，给出第二个WRCLK信号，此时数据为高8位数据，一个数据的转换完成。图3 AD采集时序图

1．3 数据存储
    对数据的存储，我们采用闪存(FLASH Memory)作为存储器．它具有体积小、功耗低和数据不易丢失的特点。对FLASH的写操作过程有其固定的操作模式，如图3所示。由于FLASH是按页存储的，当一页写完之后要进行下一页的控制字和地址的重新写入，为了使采集回来的数据能及时准确的写／kFLASH，而不至于在页与页的交替时间内使数据丢失．所以不可能将采集回的数据直接存入FLASH，我们利用FPGA内部集成FIF0来缓存FLASH MEMORY编程期间A／D控制器上传的数据，A／D转换器总的采样率为12KSPS，精度为12位，加上通道号和帧计数，每秒钟A／D控制器上传到FIF0的数据为34KB。FLASH MEMORY最大编程时间为300us。在FLASH MEMORY编程期间A／D转换器上传到FIF0的数据为：34KB×300us=10．2B。因此FPGA内部集成FIF0设计成宽度为一个字节，深度为1024的异步FIFO，即总容量为1KB，完全能够缓存FLASH MEMORY编程期间A／D控制器上传的数据。
    FPGA内部集成FIFO是由存储器、地址比较器、写地址控制器和读地址控制器构成，原理框图如4所示。

其中存储器是由两个宽度为4位、深度为1024的双口RAM采用并联的方式构成的。连接方法如图5所示。

通过DIA端口将数据写入双口RAM，通过DOB端口将数据读出，WEA和JENA接VCC，即接高电平，使双口RAM的A部分工作在写入状态，在CLKA的上升沿通过DIA将数据写入双口RAM；WEB接GND，即接低电平；ENB接VCC，即接高电平，使双口RAM的B部分工作在输出状态，在CLKB的上升沿通过DOB将数据输出双口RAM。
1．4 数据的分区存储
    本系统采用一片FLASH存储器，该芯片有128M Byte的容量，根据计算32M Byte的容量就可以把需要采集的数据全部记录下来，所以把存储器按其块地址顺序分为4个区，每个区均为32M Byte。测试系统上电复位后首先进入的是自检状态，每次顺序检测第1区中是否有数据，如果没有则把该次启动的采集的数据顺序写入第l区中，直到第1区存储完成，则停止记录并且系统断电。断电后再一次启动采集也一样首先检测第一块中是否有数据，有数据则检测下一块是否有数据，若没有数据，则顺序把从FIFO中上传的导弹飞行数据写入存储器，如果有数据，则依次地址跳到下下一块，采集满则停止，依次类推，直到把4个区都写入了数据，则不论怎么启动采集也不会把数据覆盖再写入，除非执行擦除操作把存储器中的数据清空。

 这种多次启动系统，存储器分区记录的技术使系统具有一定的冗余设计，虽然不能从根本上消除误启动而造成整个试验的失败，但是该技术在实际试验中具有十分重大的意义。

2 系统的灌封技术
    采集存储系统需工作在高温高压等恶劣环境下，因此最重要的是它的防护结构的设计。在结构设计上采用了抗高冲击的结构设计技术，主要包括：缓冲保护技术、灌封保护技术，力求能够最好的保护好存储模块。图7是采集存储器的可靠性结构示意图。图7采集存储器可靠性结构示意图

3 创新性说明
    本文介绍了一种基于FPGA的多路数据采集存储系统的设计方法及其可靠性结构设计，该系统存储容量大，体积小，可工作在高温、高压、强冲击、强振动、高过载等恶劣环境下。采用了存储器分区存储技术，可以避免误操作将有用数据覆盖。该系统已投入使用，性能优，值得推广。