基于FPGA 的多路并行混合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)*

劉 勝，沈?qū)W靜，王 艷，陳 航，張會(huì)新*

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051；3.首都航天機(jī)械有限公司，北京100076)

在新型導(dǎo)彈技術(shù)研發(fā)過程中，彈載存儲(chǔ)測試系統(tǒng)起到的作用越來越大，地位越來越重要。 在大量的重復(fù)性試驗(yàn)過程中，獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有著重要的意義，存儲(chǔ)測試系統(tǒng)可以記錄原始數(shù)據(jù)，用于研發(fā)人員分析設(shè)計(jì)是否合理以及是否滿足最初的設(shè)計(jì)構(gòu)想和技術(shù)指標(biāo)。 彈載存儲(chǔ)測試系統(tǒng)用于記錄導(dǎo)彈在試驗(yàn)時(shí)全彈道過程的各種參數(shù)，比如發(fā)射膛壓、飛行速度、飛行姿態(tài)、加速度信號等[1]。 大量試驗(yàn)結(jié)束后，通過上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)，分析、處理數(shù)據(jù)，可以不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，用來確保導(dǎo)彈在存儲(chǔ)、飛行過程中的安全性，以及對目標(biāo)打擊的準(zhǔn)確性[2]。 為了減少數(shù)據(jù)丟失，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)尤為重要[3]。

文中設(shè)計(jì)的多路并行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)電路體積減小，其存儲(chǔ)器外部結(jié)構(gòu)減小，質(zhì)量減小，而存儲(chǔ)容量增大，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的種類增加。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

在多路并行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，各模塊軟件設(shè)計(jì)均由主控芯片XC6SLX16＿3CSG324I 完成，以滿足時(shí)鐘頻率需求。 數(shù)據(jù)緩沖是基于FPGA 內(nèi)部豐富的RAM 資源[4]，F(xiàn)PGA 強(qiáng)大的邏輯處理能力，使其成為最佳的主控芯片[5]，根據(jù)實(shí)際情況分析，數(shù)據(jù)記錄器實(shí)際工作環(huán)境為飛行器上，根據(jù)其實(shí)際工作環(huán)境性設(shè)計(jì)了兩種工作模式，命令控制模式與上電即存模式。 命令接收模式為與地面測試系統(tǒng)匹配的工作模式，上電即存為實(shí)際工作模式。 上電后，返回工況信息，據(jù)工況信息，接收各種數(shù)據(jù)源，將并行數(shù)據(jù)與混編數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，且循環(huán)記錄。 該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)

DYT 數(shù)據(jù)接收模塊受AD 采樣速率和發(fā)送系統(tǒng)帶寬的影響，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率25 Mbyte/s，傳輸速率相對較快，它使用LVDS 線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。LVDS 接口芯片采用SN65LV1224，其為解串芯片，可以將大量高速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)快速地傳輸?shù)酱鎯?chǔ)設(shè)備中，并利用光耦合器隔離。 本系統(tǒng)中，接收時(shí)鐘與發(fā)送時(shí)鐘為同步信號；REFCLK 與RCLK 相同，均為25 MHz，F(xiàn)PGA 所配置時(shí)鐘為80 MHz。

模擬量數(shù)據(jù)采用ADS1258 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且完成對16 路循環(huán)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄。該模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為24 位轉(zhuǎn)換精度，采用自動(dòng)通道采集模式，配置為16 路單端輸入[6]。 使用選通開關(guān)ADG706 作為通道選擇芯片，其最大開關(guān)頻率為25 MHz；ADS1258 芯片的時(shí)鐘選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，所以不需要再接外接晶振，將管腳CLKSEL 拉高[7]，由FPGA 產(chǎn)生的時(shí)鐘信號由管腳CLKIO 輸入，為ADS1258 提供了工作時(shí)鐘[8]。 FPGA 與ADSl258 的接口、復(fù)位、控制、狀態(tài)指示等引腳相連，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的控制及寄存器的配置。 其硬件電路如圖2 所示。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊原理示意圖

該模塊使用的芯片是NAND FLASH MEMORY MT29F128G08AJAAA，它具有開放式NAND 閃存接口、單級單元技術(shù)、讀寫周期長、電壓需求低、體積小、存儲(chǔ)容量大等優(yōu)點(diǎn)，該芯片是由Micron 公司生產(chǎn)的[9]。 芯片容量可達(dá)16GB，有2 個(gè)LUC，有2 個(gè)Plane，每個(gè)Plane 有2 048 個(gè)block，一個(gè)block 有256 頁，每一頁的存儲(chǔ)容量為8 KB，芯片每一頁內(nèi)部有專門用于存儲(chǔ)標(biāo)記的信息或原始出廠信息以及自定義配置等信息的空間為448 byte，并通過共享R/B 信號的存儲(chǔ)方式在邏輯上控制每一個(gè)邏輯單元號[10]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)。 該芯片的工作電壓范圍為2.7 V ～3.6 V，本系統(tǒng)中其工作電壓為3.3 V，上電后，首先發(fā)送復(fù)位命令將目標(biāo)置于已知條件并中止正在進(jìn)行的命令序列，然后檢測R/B 信號，將tRSTA時(shí)間拉低后開始進(jìn)行參數(shù)配置[11]。 該芯片的存儲(chǔ)模式分為同步模式和異步模式，配置參數(shù)時(shí)，主要是配置Timing Mode[12]。 同步訪問模式時(shí)鐘要求更為嚴(yán)格，因?yàn)闀r(shí)序邏輯的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)至少需要80 MHz 的時(shí)鐘頻率才能確保該模式正常運(yùn)行；異步模式時(shí)鐘要求相對寬松，對時(shí)鐘頻率的特殊要求只有在讀寫操作期間。

FLASH 芯片的典型寫操作速度是可以通過計(jì)算得到的，芯片的編寫操作的單位為頁，每一頁有8KB 的存儲(chǔ)容量，典型頁編程寫的時(shí)間為350 μs，因此，根據(jù)上述三個(gè)條件就可以計(jì)算得到芯片的典型寫操作速度理論值為:平均寫入速度＝8 KB×350 μs+8 KB×?xí)r鐘速率。 本設(shè)計(jì)經(jīng)過綜合考慮后，采用異步模式，將異步操作中的讀寫操作的時(shí)鐘頻率代入公式中，得到對應(yīng)的寫速度為14.4 MHz。

3 FPGA 邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)

該模塊充分利用FPGA 可重構(gòu)的優(yōu)勢，并合理利用了內(nèi)部空間[13]。 文中充分利用FPGA 內(nèi)部大量的專用乘法器和專用塊非易失性存儲(chǔ)塊，以確保內(nèi)部時(shí)序?qū)?nèi)部fifo 和移位寄存器進(jìn)行合理分配。根據(jù)各種數(shù)據(jù)寫入速度分配fifo，PCM 數(shù)據(jù)寫入速度為4.915 2 Mbyte/s，根據(jù)存儲(chǔ)芯片的頁編程時(shí)間，將fifo 容量設(shè)定為8K；模擬量采集速度為60 Mbyte/s，fifo 容量設(shè)定為85K，圖像數(shù)據(jù)接收速度為25 Mbyte/s，fifo 容量設(shè)定為45K。

PCM 數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)混編存儲(chǔ)，與DYT 數(shù)據(jù)并行接收存儲(chǔ)。 在混編存儲(chǔ)時(shí)，PCM 數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)有各自的幀標(biāo)志，在數(shù)據(jù)回讀過程中，利用幀標(biāo)志來區(qū)分PCM 數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)。 為確保數(shù)據(jù)回讀時(shí)數(shù)據(jù)完整性與準(zhǔn)確性，添加FPGA 內(nèi)部數(shù)據(jù)交換的握手原則，即在接收到命令后，進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，當(dāng)數(shù)據(jù)上傳達(dá)到32K 后，等待下一個(gè)命令。 邏輯模塊圖示意圖如圖3 所示。

圖3 FPGA 邏輯模塊圖

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

對于采集存儲(chǔ)系統(tǒng)整體而言，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性非常重要[14]。 為了檢測所設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)用性，搭建一個(gè)測試平臺并使用上位機(jī)進(jìn)行測試。 設(shè)計(jì)DYT 數(shù)據(jù)源為0000-103F 及無效數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)如圖4 所示。 PCM 數(shù)據(jù)源為00-EC 的自加數(shù)，以主幀計(jì)數(shù)EB90 及副幀計(jì)數(shù)146F 為標(biāo)志，經(jīng)過測量得到的數(shù)據(jù)如圖5 所示。 數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖6 所示。

圖4 DYT 數(shù)據(jù)測試結(jié)果

圖5 PCM 數(shù)據(jù)測試結(jié)果

圖6 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

采集數(shù)據(jù)第2 通道輸入4 V 的直流電壓模擬信號，原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)如圖7 所示。 數(shù)據(jù)格式中的有效數(shù)據(jù)為4 個(gè)字節(jié)，通過幀計(jì)數(shù)可以判斷數(shù)據(jù)是由哪個(gè)通道進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換。

圖7 采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)中，利用FPGA 可重構(gòu)的優(yōu)勢，對內(nèi)部資源合理利用，充分合理分配內(nèi)部RAM 資源，設(shè)計(jì)了一種存儲(chǔ)電路體積小，結(jié)構(gòu)小，容量大，存數(shù)據(jù)種類多的存儲(chǔ)系統(tǒng)。 該系統(tǒng)可混編并行存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)，并返回記錄器工作狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)存儲(chǔ)速率最高可達(dá)25 Mbyte/s。 測試結(jié)果表明，測試結(jié)果正確，分析數(shù)據(jù)顯示正確，該系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，無丟幀現(xiàn)象。