基于FPGA的双备份多路数据采集存储系统的设计与实

随着信息技术的发展以及数字集成电路速度的提高，实时处理大量数据已经成为现实，但在一些特殊条件下，无法实时传输数据，必须使用存储测试方法。该方法是在不影响被测对象或在允许的范围下，将微型存储测试系统置入被测体内，现场实时完成信息的快速采集与存储，并回收存储器，由计算机处理，再现被测信息的一种动态测试技术[1]。实际应用中，由于在不同的条件下对采样速率和采样精度的要求有所不同，系统的实现方法也各有特点。为了增加系统数据回收的可靠性，本文介绍了基于双备份存储的数据采集存储系统的设计与实现方法。

1 技术要求

在某飞行体遥测系统中,为了获取飞行体的参数，需要设计一种数据采集存储系统，要求实现对23路模拟信号的采集、编帧存储。要求输入信号电平为0~5 V，系统总采样率为245.76 kHz, 记录时间不小于500 s，对速变信号的采样率为5.12 kHz,缓变信号的采样率为160 Hz, 23路模拟量信号输入中包括9路速变信号和14路缓变信号。

2 整体方案的设计

信号采集存储系统是基于双备份的数据存储器设计而成，整个系统以FPGA为核心控制器，控制数据的采集、编帧存储。系统结构如图1所示。

2.1采编器电路的设计

采编器[2]主要完成对各种被测信号的采集，并对数据进行实时编码、逻辑控制和实时存储控制，分为速变、缓变信号采集模块和采集控制模块，两者通过内部总线相连。

速变、缓变信号采集模块主要完成23路输入模拟信号的调理、选择、A/D采集等功能,包括输入接口电路、滤波跟随电路、模拟通道切换电路、信号调理电路等。

采集控制模块完成模拟信号的A/D采集控制、编帧、内部时序控制等功能，包括长线接口电路、控制电路、存储器接口电路、帧结构下载电路等。

采编器的主控器件采用XC2S100E型现场可编程门阵列(FPGA),该器件体积小、功耗低、内部延时小，全部控制逻辑由硬件自动完成，编程配置灵活，可实现程序的并行执行，因而可大大提高系统的工作性能。该采编器的电压采集范围为0~+5 V，采集精度不低于0.1%。由于FPGA本身不具备A/D转换模块，因此各通道的模拟信号分别经信号调理电路后，由模拟多路开关ADG506选择模拟通道，再经外部高速AD7667实现A/D转换，转换的数据在FPGA内编帧后输出到存储器中。具体的每帧数据由各路模拟信号和帧标记FDB1 8540组成。采编器的电源由电源模块提供的5 V电压经TPS70351调理后产生。

采编器电路框图如图2所示。

2.2存储器电路的设计

存储器主要完成数据的存储功能，存储器包括两套独立的存储电路A、B片，两者互为备份。每套存储器内包括与采编器相连的长线接口、FPGA和Flash存储芯片。该双备份设计能进一步提高数据回收的可靠性。

存储器电路框图如图3所示。

技术要求总采样率约250 kHz，记录时间不小于500 s， A/D采集的有效位数为16 bit，则一个采样周期(即4 μs)产生的数据量为2 B， 则1 s的数据量为1×106×2/4=500 000 B,则500 s内的记录数据量为2.5×108 B=238.5 MB， 可见容量为256 MB的闪存芯片便可满足记录要求，本设计采用SAMSANG公司的Flash存储芯片K9K8G08U0M，存储容量达1 GB，是为了留出存储余量，这样就为以后系统的升级和扩展提供可行性解决方案。