瞬態信號的采集存儲技術

徐進 王強 王偉偉

（北京航天長征飛行器研究所 北京市 100076）

1 概述

在爆炸環境下進行數據采集測量，由于采集的信號具有單次性、隨機性強等特點[1]，傳統方式往往采用遠距離布置采集測量設備[2]，實現瞬態信號的采集存儲，但該方式存在系統組成復雜昂貴和受外界干擾影響大等問題，采集不到真實的瞬態信號。為此本文提出一種近距離的瞬態信號采集存儲方案，能夠在10us的生存周期內實現信號的采集存儲，產品實現簡單，通過試驗驗證能夠滿足測量要求。

2 采集存儲設備設計

2.1 方案設計

設備需要完成對瞬態數字信號進行采集存儲功能，能夠在10us內完成信息采集存儲。如圖1所示，信號模擬源能夠輸出表征瞬態信號的并行數字量信號，采集存儲設備通過接口保護電路對輸入信號進行保護，并直接送入CPLD的I/0口進行采集，CPLD將采集的信號實時寫入MRAM和FRAM中進行存儲，由外部供電5V，數據讀取測試設備通過RS485完成存儲器數據的下載和測試工作。

2.2 硬件電路設計

2.2.1 CPLD電路設計

CPLD完成存儲器的核心控制功能，CPLD電路如圖2所示。

由于電路板尺寸限制，選擇ALTERA公司的EPM570M100I5芯片，該芯片尺寸為6mm×6mm，占用PCB面積小，該芯片供電用單一的3.3V電源供電，能節省電源轉換芯片，內部有5.5MHZ的時鐘，可以減少外部時鐘的使用，由于內部時序邏輯需求較少，該芯片的邏輯資源能夠滿足使用要求，IO口也能滿足使用要求。

2.2.2 電源轉換電路設計

電源轉換電路如圖3所示。

電源轉換芯片選擇LT1963芯片，能夠提供3.3V、1.5A的電源，滿足電路板上芯片的用電需求。可以通過調整5V輸入端并聯的電容個數和容值，通過后續試驗保證產品掉電后工作1~10ms,串入的二極管KD291G4保證電容存儲的電荷不倒灌回去。

2.2.3 存儲電路設計

存儲芯片選擇是本產品的關鍵，為確保可靠選擇兩種類型存儲芯片進行考核驗證，為鐵電存儲芯片FRAM和磁性存儲器芯片MRAM。FRAM選用RAMTRON公司的FM22L16，采用并行讀寫的操作方式，最快寫入周期為110ns，存儲容量為512KB，工作溫度為-40℃～+85℃，具備讀寫1014次的能力，數據保存時限為10年。MRAM選用EVERSPIN公司的MR4A08B，采用并行讀寫的操作方式，最寫入周期為35ns，存儲容量為2MB，工作溫度為-40℃～+125℃，無讀寫次數限制，存儲時限為20年。

2.3 軟件設計

軟件由CPLD實現，正常工作的流程為上電后判讀寫保護信號是否有效，若有效則禁止對存儲芯片進行寫操作，等待地面指令進行存儲芯片的讀操作；若寫保護信號無效，則開始對存儲芯片進行寫操作。

地面指令有下載數據指令，在循環記錄時接收到該指令后，停止循環記錄，開始對存儲芯片進行讀操作，并通過485接口發送數據給地面。

圖1：設備方案示意圖

3 參數計算

3.1 存儲時序計算

模擬信號源的信號進入存儲器后的時序由以下幾部分組成。

（1）數據緩沖時間：t1=0.1us；

（2）邏輯延遲時間：t2=0.05us；

（3）存儲芯片存儲一個字節的時間：t3=0.2us。

因此存儲第一個字節的延遲為0.35us，存儲N個字節的數據需要的時間為(0.35+0.2*N)us，因此10us至少可以存儲48個字節數據，根據數據根式，其中最少的有效字節數據為24個字節數據。

通過上述分析可以得知，在10us內至少能夠存儲24個字節的有效數據，在時序上能夠滿足要求。

3.2 存儲時間計算

根據存儲芯片的存儲速度和存儲容量，MRAM芯片的存儲時間不大于400ms，FRAM的存儲時間不大于100ms。

通過上述分析可知，存儲時間特別短，因此設備需要在斷電后的至少工作1ms以上，保證存儲10us的瞬態信號數據，在斷電后10ms后停止工作，保證記錄的數據不被刷新。

4 試驗驗證

試驗采用的方法是如圖4所示， 虛線右邊是采集存儲設備的內部電路，左邊為測試所接的外部電路。S1是紐子開關，用于供斷電。R1為下拉電阻，用于給D7~D0提供初始電平。V1是二極管，防止后面的儲能電容的電能倒流；C1~C10為電容，用于儲存電能，斷電后繼續給測量存儲電路供電。D7~D0為需要測量存儲的并行信號，本試驗就是利用該并行信號作為測試斷電存儲時間的手段。

設備上電后進入循環記錄存儲的模式，不斷將D7~D0的信號進行記錄，即S1閉合后，D7~D0為全高，所以記錄存儲的數據為0XFF。S1打開后，儲能電容C1~C10開始放電，供測量存儲電路工作，由于V1的反向截止功能，D7~D0為全低，但這時候測量存儲電路仍然工作，所以能夠記錄數據，所記錄的存儲的數據為0X00。因此，可以通過記錄的全0X00的數據長度來推斷存儲器斷電后的工作時間。

圖2：CPLD電路圖

通過試驗驗證，讀取的存儲數據含有全0X00的數據，斷電后存儲的有效測量數據為5650個，每個字節的存儲時間約為182ns，計算出斷電后存儲工作的時間為2.054ms，滿足方案設計中要求的大于1ms小于10ms的要求，既能保證存儲到10us信號的數據，又能夠保證不把存儲的數據刷新掉。

圖3：電源轉換電路圖

圖4：測試電路圖

5 結論

本文提出了基于FRAM和MRAM的瞬態信號采集存儲方案，通過試驗驗證斷電后存儲工作時間能夠滿足10us的生存周求要求。該方案具備成本低、體積小等特點，能夠替代傳統測量方式。