數(shù)據(jù)采集廣泛應用于民用、工業(yè)、軍事，航空航天等各個領(lǐng)域，且在對一些復雜的系統(tǒng)進行連續(xù)測試時，擁有多通道、大容量、高精度的數(shù)采系統(tǒng)尤為重要，而現(xiàn)有的采集系統(tǒng)并未能滿足海量數(shù)據(jù)的實時存儲要求。針對此問題，文中設計了能對高達128路數(shù)據(jù)進行采樣，采樣率高達1.6 M/s，存儲容量可達32GB的實時信號采集系統(tǒng)。存儲部分采用FLASH和SD卡同時存儲，F(xiàn)PGA作為數(shù)據(jù)采集與SD卡之間的高速接口，且SD卡拆裝方便，容量可變，用戶可根據(jù)需求更換存儲容量，大容量的存儲設備使數(shù)據(jù)進行實時備份成為可能，提高了系統(tǒng)的可靠性。
1.工作原理簡介
1.1 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)FPGA選用Spartan II系列的XC2S100ETQl44芯片，系統(tǒng)上電后，由靜態(tài)存儲器XCl8V01將固化在其中的數(shù)字邏輯電路映射到FPGA器件中，從而使FPGA成為真正意義上的控制核心。當啟動信號有效時，在中心控制邏輯的作用下，SD卡初始化，且啟動整個數(shù)據(jù)采集工作，控制8片16選1模擬選擇開關(guān)進行通道選擇，并控制8片12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行模擬電壓的采集，為避免數(shù)據(jù)存儲空間的不足與浪費，系統(tǒng)有兩種工作模式，當采集短期數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)啟用FLASH模式；當采集長期數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)啟用SD模式，將采集到的實時數(shù)據(jù)根據(jù)具體的工作模式分時存儲到FLASH存儲器和大容量SD卡中。當采集任務完成后，將讀數(shù)電纜接好，由上位機軟件通過遠程讀數(shù)裝置發(fā)出FLASH讀數(shù)和擦除指令，也可以用讀卡器對SD卡進行讀數(shù)。
1.2 系統(tǒng)總體設計方案
系統(tǒng)能夠?qū)?28路模擬信號同時采集，其中單路模擬信號的采樣率可達12.5 kS/s，總采樣率為1.6 MS/s，為了滿足至少4 MB/s的數(shù)據(jù)寫入能力，設計選用型號為K9FIG08UOA大容量128M字節(jié)FLASH，其寫入速度典型值為7 MB/s。對于SD卡，采用SD2.0，此卡采用了FAT32文件系統(tǒng)，這樣一來，最大可以支持32GB的容量，目前已經(jīng)做到了4GB，寫人速度最高可達5 MB/s。
系統(tǒng)主要包括5個模塊：電源模塊、信號調(diào)理模塊、通道選擇模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。Spartan II系列的XC2S100E為主控制器，系統(tǒng)性能能達到200 MHz，該器件集成了豐富的邏輯門，且內(nèi)含有10塊雙端口RAM，通過雙端口RAM可以組成內(nèi)部FIFO來緩存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的核心部分是A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換包括采樣、保持、量化和編碼4個過程。設計中采用的是AD7495，它具有精度高(12 bit)，轉(zhuǎn)換速度快(最高1.0 MSPS)，功耗低(典型值10.5 mW)等特點。為保證高的采樣率，系統(tǒng)采用多路開關(guān)方式進行信號的通道選擇，多片高速A/D器件流水工作，由FPGA發(fā)出控制信號，對它們的地址等時間推進。鑒于此，選用8片16選1的ADG506芯片，其切換速度最高可達108次每秒，且其功耗低，外圍電路簡單，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖
2.系統(tǒng)軟件設計
2.1 系統(tǒng)時序控制
在系統(tǒng)中，所有時序控制均由FPGA來完成，采用VHDL語言編寫控制程序，這些時序控制包括對A/D轉(zhuǎn)換器的控制，12位串行數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)的緩存，以及對FLASH、SD卡讀寫的控制。系統(tǒng)對輸入的128路模擬信號先進行經(jīng)過初步調(diào)理，傳人模擬開關(guān)，模擬開關(guān)采用8片無差別16路選一開關(guān)，每片選通16路信號，共128路信號。當轉(zhuǎn)換到某一通道時，F(xiàn)PGA同時啟動A/D進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。在此之前，信號再次經(jīng)過調(diào)理。經(jīng)A/D采樣電路采樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA的控制送到FLASH中，當采集時間超過30 S時，系統(tǒng)自動啟用SD模式將數(shù)據(jù)存人SD卡中。系統(tǒng)關(guān)鍵難題在于用FPGA協(xié)調(diào)控制好A/D采樣的時序，多路開關(guān)的轉(zhuǎn)換頻率以及FLASH、SD卡存儲器編程的邏輯，而不至于導致AJD采樣速率過高，數(shù)據(jù)存儲步調(diào)跟不上，或者A/D采樣速率過低，數(shù)據(jù)存儲器空耗著等待讀取數(shù)據(jù)，導致整個系統(tǒng)的性能下降。鑒于此，整個系統(tǒng)采用全局時鐘，使得啟動A/D轉(zhuǎn)換，通道轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)FIFO存儲的時序統(tǒng)一。
2.2 FPGA內(nèi)部FIFO設計
數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，由FPGA時序控制存人外部FLASH中，但由于Flash是按頁存儲的，每存滿一頁后，都要對下一頁重新寫人控制字和地址。在設計中，用硬件語言狀態(tài)機來控制FLASH的壞塊檢測和每頁的控制字和地址的輸入，且最長消耗500個系統(tǒng)周期，故最大編程時間為500×50 ns=25 us，而A/D每1us上傳4B的數(shù)據(jù)，故FLASH頁編程期間A/D最多上傳100B，則為避免數(shù)據(jù)的丟失，在這段時間內(nèi)必須有一個緩存裝置來存儲A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，異步FIFO是一種在電子系統(tǒng)中廣泛應用的緩存器件，而在設計中，充分利用了FPGA內(nèi)部集成的豐富雙端口RAM。通過將4個寬度為2位，深度為1024的雙口RAM并聯(lián)起來構(gòu)成一個容量為1K的異步FIFO模塊來緩存數(shù)據(jù)。這種異步FIFO比外部FIFO芯片更能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2.3 數(shù)據(jù)編幀
系統(tǒng)A/D流水線工作同時有8路信號分別傳人8片A/D，為了區(qū)分不同通道的數(shù)據(jù)及防止數(shù)據(jù)丟失，且便于上位機及相關(guān)軟件對數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，必須對不同通道的數(shù)據(jù)進行編幀。采用的是12位A/D，轉(zhuǎn)換前4個周期先輸出4個無效零，接下來8路A/D串行輸出12位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，故將每路數(shù)據(jù)編幀為16位，高4位由3位通道號和1位標志位(前64路標志位為‘0’，后64路標志位為‘1’)構(gòu)成，當8路數(shù)據(jù)處理完成后，切換下一通道，將處理好的8路數(shù)據(jù)(每路16位)依次按高8位和低8位的次序在寫信號的上升沿送人雙口RAM的A口。為確保數(shù)據(jù)不丟失，需在每幀數(shù)據(jù)前加上2個字節(jié)的幀頭EB，90和2個字節(jié)的幀計數(shù)，1個字節(jié)的幀尾，故一幀數(shù)據(jù)共有21個字節(jié)，具體幀格式如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)幀格式
3.SD卡驅(qū)動設計
SD卡有2種工作模式：SD模式和SPI模式，由于SD卡工作在SPI模式時，只需要4根信號線，即cs片選、DIN數(shù)據(jù)輸入、CLK時鐘、DOUT數(shù)據(jù)輸出，接口與操作方法比較簡單，易于實現(xiàn)，本設計選用SPI模式。驅(qū)動SD卡所涉及的主要功能操作有：SD卡復位、初始化、寫SD卡扇區(qū)、讀SD卡扇區(qū)。在系統(tǒng)上電后，首先由控制器向CLK時鐘信號線上發(fā)送至少74個系統(tǒng)時鐘信號來喚醒SD卡的SPI通信，然后發(fā)送CMD0復位命令對SD進行復位操作，當SD卡數(shù)據(jù)輸出端讀取復位成功標志(0lH)時，再發(fā)送CMD55+ACMD41命令對SD卡進行初始化，初始化完成之后，在SD卡中建立FAT文件系統(tǒng)，系統(tǒng)觸發(fā)后所采集數(shù)據(jù)就以文件的形式存放在SD卡上，用通用的SD卡讀卡器將數(shù)據(jù)讀出后就可以利用Windows操作系統(tǒng)下的MatLAB或其他高級軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理。
3.1 SD卡文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
微軟在Dos/Windows系列操作系統(tǒng)中共使用了6種不同的文件系統(tǒng)(包括即將在windows的下一個版本中使用的Winfs)。它們分別是：FAtl2、FATl6、FAT32、NTFS、NTFS5.0和WINFS，目前應用最多的是FATl6、FAT32、NTFS文件。由于FATl2可以管理的磁盤容量最多為8M且文件碎片嚴重，該系統(tǒng)選用FAT32文件系統(tǒng)。FAT文件系統(tǒng)用“簇”作為數(shù)據(jù)單元。1個“簇”由1組連續(xù)的扇區(qū)組成，簇所含的扇區(qū)數(shù)必須是2的整數(shù)次冪，簇的最大值為“個扇區(qū)，即32KB．所有簇從2開始進行編號，每個簇都有一個自己的地址編號，用戶文件和目錄都存儲在簇中，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)的總體布局如圖3所示。
圖3 FAT文件系統(tǒng)總體布局
其中，保留區(qū)含有一個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——系統(tǒng)引導扇區(qū)(DBR)。FATl2、FATl6的保留區(qū)通常只有一個扇區(qū)，而FAT32的保留扇區(qū)要多一些，除0號扇區(qū)外，還有其他一些扇區(qū)，其中包括了DBR的備份扇區(qū)。FAT區(qū)由各個大小相等的FAT表組成——FATl、FAT2，F(xiàn)AT2緊跟在FATl之后。數(shù)據(jù)區(qū)用于存儲用戶的讀寫數(shù)據(jù)。
3.2 SD卡的讀寫操作
在SPI模式下，SD卡支持整塊和多塊寫命令，在接受合法寫命令(CMD24)時，SD卡將以響應標志(OOH)響應并且等待數(shù)據(jù)塊從控制器發(fā)送。控制器接收到SD卡的響應標志后，向SD卡寫入數(shù)據(jù)塊“開始塊”象征(FEH)，則表明數(shù)據(jù)開始傳輸，當512字節(jié)數(shù)據(jù)成功寫入之后，再寫入兩個字節(jié)的CRC檢驗碼。此時控制器開始對SD卡的數(shù)據(jù)輸出端進行讀取，當讀取的數(shù)據(jù)最后五位為00101時，則表明SD卡已經(jīng)成功接收了512字節(jié)的數(shù)據(jù)，之后SD卡將接收的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)部相應的FLASH中，SD卡的1次寫操作結(jié)束。在接受合法讀命令CMDl7時，SD卡將在數(shù)據(jù)輸出端輸出響應標志，當標志位為00H時，表明17號命令已經(jīng)成功寫入，之后控制器對SD卡數(shù)據(jù)輸出端連續(xù)讀取，當讀取到字節(jié)FEH，表明SD卡已經(jīng)開始對外輸出數(shù)據(jù)了，當512個字節(jié)讀取完成之后，緊接著的是兩個字節(jié)的CRC校驗碼。當讀取完CRC校驗碼后，CS使能信號恢復高電平，SD卡的1次讀操作結(jié)束。SD卡的讀寫操作流程如圖4所示。
圖4 SD卡讀寫控制漉程圖
4.系統(tǒng)調(diào)試及問題分析
4.1 系統(tǒng)時鐘匹配問題
系統(tǒng)是由1塊主控芯片控制2塊硬件電路板，在調(diào)試過程中，由于2塊板問的晶振在時序上沒能完全的同步，導致同一信號分別由兩塊板的通道采集后，經(jīng)上位機波形還原后呈現(xiàn)如圖5所示。后將兩塊板用同一芯片控制，實現(xiàn)完全的時序同步時，最終解決此問題。
圖5 波形還原圖
4.2 數(shù)據(jù)存儲速度不匹配問題
該設計最開始FLASH從內(nèi)部FIFO每取一個字節(jié)數(shù)并且寫入FLASH用了8個時鐘周期，故FLASH每秒存儲數(shù)據(jù)為1/(6×50 ns)=3.3M，然而內(nèi)部緩存模塊每秒有不低于4M的數(shù)據(jù)輸入，由于FPCA內(nèi)部數(shù)據(jù)緩存模塊FIFO與外部存儲設備的存取速率不匹配，導致采集過程中部分數(shù)據(jù)丟失，造成信號波形嚴重失真，如圖6所示。要想解決此問題，則必須提高FLASH的存儲速度，使FLASH從內(nèi)部FIFO取數(shù)的時間盡量短。如果從內(nèi)部FIFO取每個字節(jié)的時間能夠少兩個時鐘周期，那么取完lK字節(jié)將少2K個時鐘周期的時間，這將不僅使FLASH頁編程的整個周期時間減短，而且大大的提高了FLASH的存儲速度。下面是FLASH從內(nèi)部FIFO取數(shù)的VHDL代碼。從中可以看出，F(xiàn)LASH從FIFO中取一個字節(jié)數(shù)僅用了4個時鐘周期，而解決了系統(tǒng)丟數(shù)問題。
圖6 調(diào)試信號
when rw25=>
if offset=0 then//FIFO中是否有數(shù)，有則跳轉(zhuǎn)
wstate<= rw 25；狀態(tài)39，無則等待
else
rtfifo<=0；
wstate<= rw 39：
end if；
when rw39=>
rdfifo<=1；//上升沿有效。讀取FIFO中
fdata<=fifod； 的數(shù)據(jù)
wstate<= wr40：
when rw 40=>
addrb<= addib+1；//FIFO地址加一
f_we<=0；
f_byte <=f_byte+1；//FLASH地址加一
wstate<=rw 28：
when rw 28：>
rdfifo<= 0 ；//f_we信號上升沿有效，將取的字節(jié)
f_we<=1；寫入FLASH
if f_byte=“00000000000”then//是否取完
wstate<= rw 39；了2K字節(jié)的數(shù)據(jù)
else//沒有則繼續(xù)取數(shù)，有則進行下一頁頁編程
wstate<= rw 25：
end if；
5.結(jié)束語
由于采用了現(xiàn)場可編程芯片F(xiàn)PGA，整個系統(tǒng)設計靈活，集成度高。并且在存儲芯片F(xiàn)LASH的基礎上，采用冗余技術(shù)，增加SD卡作為存儲介質(zhì)，大大的增加了系統(tǒng)的存儲容量，且存儲容量可變，用戶可根據(jù)具體需要，來選擇SD卡的容量。高容量的SD卡可對FLASH中的數(shù)據(jù)進行備份，也可作為第二存儲介質(zhì)對實時采集的數(shù)據(jù)進行存儲，從而大大的提高了系統(tǒng)的可擴展性和可靠性。文中還就針對系統(tǒng)調(diào)試過程出現(xiàn)的問題進行了詳細的說明，對于內(nèi)部FIFO與FLASH存取數(shù)據(jù)速率上的不匹配問題，提出了一種不改變硬件電路，僅需修改程序代碼的解決辦法。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，可用于工業(yè)、工程、生產(chǎn)車間等部門，尤其是在對信息實時性能要求較高或者惡劣的數(shù)據(jù)采集環(huán)境中更突出其應用的必要性。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務領(lǐng)域、行業(yè)應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標題：存儲容量可擴展的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
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