Design of High-Speed Acquisition and Storage System Based on FPGA

REN Yongfeng，ZHANG Kaihua，CHENG Hailiang

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.The Vehicle Research Institute of Aerospace Long March，Beijing 100076，China)

Design of High-Speed Acquisition and Storage System Based on FPGA

REN Yongfeng1*，ZHANG Kaihua1，CHENG Hailiang2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.The Vehicle Research Institute of Aerospace Long March，Beijing 100076，China)

For the mission of aircraft to identify the external environment and record the parameters，a method of the high-speed data acquisition and storage solutions was proposed based on FPGA．Through the reasonable circuit design of the AD9254，realized the high-speed acquisition of the video signal，the sampling rate is 132 Msample/s．Correcting the logic control of FPGA by the use of static simulation，and the problem of wrong data caused by the distortion clock in FPGA was solved．Two-stage pipeline of operation would be used at the storage of data，it can be written at a speed of 62 Mbyte/s．This system has been tested successfully in an engineering practice with high reliability and stability．

high speed data acquisition;video signal;static simulation;logic control;data storage

高速數據采集系統(tǒng)主要是針對視頻圖像信號的高速采集和數據存儲。采集記錄裝置應用于飛行器在特定飛行狀態(tài)下對視頻信號的采集和記錄，可以完成模擬信號的采樣和采樣數據的保存系統(tǒng)，屬于采集存儲測試領域和高速固態(tài)記錄器的研究范疇［1］。

1　方案設計

采集記錄裝置由采編器、存儲器及傳輸電纜共同組成。采編器在配套地面測試臺控制信號(S1、S2、S3、S4)的控制下，負責I、Q通道視頻信號的高速采集、轉換，數字量信息包括時間參數等經FPGA編碼后由LVDS傳送至存儲器存儲。設計采用14位ADC，高8位進行采樣，采樣速率為132 Msample/s，精度為0．4%。高速的數據采集能力對數據存儲提出了較高要求。存儲器接收LVDS傳輸的高速數據流，經接口電路還原，優(yōu)化，解串后通過FPGA邏輯控制存入FLASH芯片，存儲器容量為8 Gbyte，存儲速度為62 Mbyte/s，其外殼采用高強度，抗過載的合金鋼，確保飛行器落地后能夠有效回收，采編器不進行回收處理［2］。方案設計原理框圖如圖1所示。

2　高速數據采集電路設計

根據采編器的功能需求，主處理器選用FPGA，可有效實現對ADC采集數據的接收、分組及編碼。選用ADI公司的AD9254芯片［3］，該芯片具有單通道模擬輸入，14位數字輸出，采用外部時鐘源，最大時鐘頻率為150 MHz，有模擬和數字電源引腳，是一種低功耗器件。

圖1　方案設計原理框圖

采編器接收模擬信號，其輸入形式可以采取以下幾種:

(1)單端輸入，模擬信號經阻抗匹配、濾波加載到ADC輸入正極，正負極同時配置直流工作在AVDD/2。其優(yōu)點是節(jié)約設計成本，缺點是不能抑制共模噪聲，不能對輸入信號幅度進行縮放。

(2)運放配置成差分輸入，模擬信號采用差分輸入形式，通過前端運放把單路信號轉換成差分信號，經阻抗匹配、濾波后傳送給ADC，共模電壓同樣配置成AVDD/2。其優(yōu)點是采用差分輸入形式，有效抑制了共模噪聲的影響;若采用倍數可調的運放還可以增大輸入信號的幅度范圍;缺點是運放在放大信號的同時也放大了噪聲。

(3)射頻變壓器配置成差分輸入，前端通過變壓器把單路信號轉換成差分信號，匹配濾波后傳送給ADC，共模電壓同樣配置成AVDD/2。優(yōu)點是采用差分輸入，有效抑制了共模噪聲的影響，不會影響ADC的性能參數，且電路簡單。缺點是不能對輸入信號幅度進行縮放。

經上述3種方式綜合比較，選用電路簡單，性能穩(wěn)定的射頻變壓器配置成差分信號輸入方式。采集通道I、Q均采用一片AD9254實現，設計電路圖如圖2所示:clocknet0、cloclknet1為外部時鐘差分信號。

影響ADC數據采集的因素除了模擬信號的輸入外還有時鐘輸入。采集過程需要保證FPGA接收采樣數據時鐘和兩路ADC進行模數轉換的時鐘一致，為此采用時鐘管理芯片AD9513。該款芯片具有多種電平模式及多路輸出接口，并且具有極低的時鐘抖動性能，有助于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。采集電路時鐘信號由地面測試臺提供，經電氣隔離及濾波傳送給AD9513，AD9513將時鐘信號一分為三，同時提供給FPGA和兩片AD9254。FPGA再在S1～S4信號的控制下將數字量數據緩存、分組、編碼后發(fā)送至存儲器存儲。

圖2　視頻信號輸入接口電路

3　邏輯控制

采編器采集模塊主要功能是數據的接收、分組、編碼及輸出。FPGA需要完成對ADC采集數據的緩存和讀取，由于ADC采用高8位傳送數據，系統(tǒng)每周期采樣時間為30 μs，傳送數據量為3 960 byte，設計采用4 kbyte FIFO實現，寫FIFO的時鐘與數據接收時鐘一致為132 MHz，讀FIFO時鐘為采編器提供124 MHz，采用8位數據寫入，8位數據讀出的方式，讀取時間為31．9 μs，滿足下一周期采集數據到來之前將FIFO中的數據全部讀取。

采用上述方案對視頻模擬信號進行采集，回讀存儲器數據后發(fā)現數據文件中有個別字節(jié)的誤碼出現，通過ChipScope Pro對寫FIFO內部時鐘信號和數據信號進行觀測，如圖3所示。

圖3中，clock在芯片內部傳輸時出現占空比失真的情況［4］，縮短了數據建立的時間，進而保存了亞穩(wěn)態(tài)期間的數據，因此要對clock添加約束［5］，達到優(yōu)化時鐘信號傳輸質量的目的，同時會增加邏輯用時以及布線用時。為減少地址線操作頻率，修改為16位數據寫入，8位數據讀出的操作方式。調整后的FIFO控制時序如圖4、圖5所示。

圖3　FPGA內部數據和寫FIFO內部時鐘信號

圖4　FIFO寫時序

圖5　FIFO讀時序

采集模塊工作是在S1～S4控制信號的時序配合下進行的，時序同時被編碼到數據流中作為幀結構［6］與采集數據一起記錄到存儲器中，用于數據文件的辨識。視頻信號采集的時序關系如圖6所示。

圖6　信號采集時序關系

采集模塊初始為預采集狀態(tài)，S1為高電平時啟動視頻信號采集。采集狀態(tài)顯示為1#狀態(tài)和2#狀態(tài)，當S2為高電平時處于1#狀態(tài)，為低電平時處于2#狀態(tài)。S3信號同步每周期采樣的起始時刻。FPGA檢測到S4的上升沿時刻開始接收ADC芯片輸出的數據，采樣時間保持30 μs。FPGA將每周期采樣數據編為一幀，并在尾部加入幀結構，內容代表S1～S4信號的時間參數。

4　數據高速存儲

數據存儲部分設計雙存儲器分別用來存儲I、Q路的采集數據，為保證數據的高速存儲，每個存儲器都包含兩片Flash芯片［7］，存儲方式采用二級流水線操作，這種操作方式是將一條指令分解成若干步驟，每個步驟的響應在時間上是相互重疊的，可以在同一時刻執(zhí)行多條指令，顯著加快指令的響應時間。兩片Flash芯片存儲的FPGA內部邏輯框圖如圖7所示。

圖7　存儲器FPGA內部邏輯框圖

在時序控制信號S4的控制下，存儲器將接收的數據分組，交替寫入FIFO1#和FIFO2#，在寫Flash1#的同時完成FIFO2#的緩存，在寫Flash2#的同時完成FIFO1#的緩存，存儲速度提高兩倍。單片Flash操作采用典型的雙片選交替雙平面編程的方式［8］，寫入速度約為30．9 Mbyte/s，單個存儲器存儲速度約為62 Mbyte/s。

5　實驗結果

視頻信號采集記錄裝置應用于彈上工作系統(tǒng)，主要完成對脈沖信號的采集存儲，在試驗階段利用I、Q路通道同時采集由信號源產生的正弦信號，經高速數據采集電路存儲在記錄器中，將記錄器中的數據由上位機軟件回收，得到數據文件SP－I－20130826－2209－37．dat，如圖8所示。

圖8　正弦信號回收數據

觀察數據幀格式正確，操作軟件對該數據文件進行分析并繪制圖形如圖9(a)所示，為采集到的正弦信號波形圖，觀察圖形波形穩(wěn)定，采集無異常。圖9(b)所示為針對飛行器在實際環(huán)境對脈沖信號的采集、存儲后的數據還原圖形，滿足采集記錄裝置對脈沖信號的采集要求，I、Q路信號相位一致性良好。

圖9　

6　結論

目前，飛行器在軍事領域的發(fā)展越來越快，在飛行試驗中需要采集和記錄的數據量也越來越大，對采集記錄裝置的數據采集速度和存儲速度提出了較高要求，基于FPGA的高速數據采集記錄系統(tǒng)在這樣的環(huán)境下應運而生，經過完整的地面聯(lián)試試驗，該系統(tǒng)已成功應用于測試項目，圓滿完成任務，驗證了其設計的優(yōu)越性和可靠性，具有廣泛深遠的應用和研究價值。

［1］焦亞濤，李娜娜．一種高速固態(tài)存儲系統(tǒng)的設計與實現［J］．電測與儀表，2011，48(11):76－79．

［2］宋丹，任勇峰，姚宗．一種低功耗水下多通道實時采集存儲裝置的設計［J］．電子器件，2013，36(4):502－505．

［3］李永麗．多通道高速數據采集及大容量存儲系統(tǒng)設計［D］．西安電子科技大學，2009．

［4］周海斌．靜態(tài)時序分析在高速FPGA設計中的應用［J］．電子工程師，2005，31(11):41－44．

［5］林昌輝，樊曉椏．FPGA設計中優(yōu)化時序的原則與方法［J］．微處理機，2007(3):6－13．

［6］儲成群．基于LVDS接口的高速數據記錄器的設計［D］．中北大學，2011．

［7］舒文麗，吳云峰，孫長勝．基于NAND Flash的海量存儲器的設計［J］．電子器件，2012，35(1):107－110．

［8］郭小兵，李圣昆，賈興中．基于彈載存儲系統(tǒng)的高速固態(tài)數據記錄器設計［J］．微電子學與計算機，2013，30(2):25－28．

張凱華(1991－)，男，漢族，山西臨汾人，中北大學測試計量技術及儀器專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向為電子測試儀器與系統(tǒng)，kai．hua2008@163．com;

任勇峰(1968－)，男，漢族，山西中陽人，教授，博士生導師，主要從事彈載固態(tài)記錄器和自動測控臺等方向的研究工作。

EEACC:7210G10．3969/j．issn．1005－9490．2015．01．029

基于FPGA的高速數據采集存儲系統(tǒng)設計

任勇峰1*，張凱華1，程海亮2
(1.電子測試技術國家重點實驗室，中北大學，太原030051;2.北京航天長征飛行器研究所，北京100076)

針對飛行器在飛行狀態(tài)下需要對外部環(huán)境進行識別和參數記錄任務，提出基于FPGA的高速數據采集存儲方案。通過對AD9254芯片前端電路進行合理設計，實現其對視頻信號的高速采集，采樣速率為132 Msample/s。利用FPGA靜態(tài)仿真實現邏輯控制的修正，解決了因內部時鐘傳輸占空比失真而導致誤碼產生的問題。數據存儲采用二級流水線的操作方式，寫速率可達62 Mbyte/s。系統(tǒng)設備經地面聯(lián)試試驗已成功應用于工程實踐，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

高速數據采集;視頻信號;靜態(tài)仿真;邏輯控制;數據存儲

TN92

A文獻標識碼:1005－9490(2015)01－0135－05

2014－02－19修改日期:2014－03－10