基于FPGA的半硬回收数据采集存储系统设计

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1、第27卷第l期航天器环境工程20l0年2月SPACECRAFTENVlRONMENTENGnuFERn、『Glll基于FPGA的半硬回收数据采集存储系统设计聂飞，张荣，黄海莹(中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳621900)摘要：文章介绍了基于FPGA的半硬回收数据采集存储系统的多片A／D数据编码技术、有限硬件资源下的大容量Flash读写技术、USB接口设计。利用VHDL语言和QuartusIl7．1软件完成了系统设计及软件仿真。实验表明：所设计的系统实现了16通道10kHz的数据采样和存储，与计算机接口数据传输速率达8Mbit／s，系统运行稳定可靠。关键词：半硬回收系统；FPG

2、A；大容量Flash存储器；USB接口中图分类号：V417+．7文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)01—011卜03DoI．10．39690．issn．1673—1379．2010．01．0231引言半硬回收系统作为多通道数据采集存储装置，主要负责记录某系统空中飞行试验全程的加速度、环境参数以及各种动作控制信号。在飞行试验完成后，将半硬回收装置内的存储器取出并连接到新的数据采集存储装置上，利用计算机将存储器内的信号回读并显示出来。由于在设计中要求半硬回收系统硬件尺寸不大于咖60mm，同时要与3．3V和5V系统接口，这对硬件设计提出了较高难度的要求，在硬件上确保计算

3、机软件的高速数据回读、高速校验，保证了科技人员在试验现场即可观测测量的结果。本文利用VHDL语言和QuartusII7．1软件作为开发环境完成了整个半硬回收系统硬件设计。2系统硬件组成半硬回收数据采集存储系统主要由FPGA、A／D转换器、Flash存储器、USB接口芯片以及电源模块构成，系统原理如图l所示。数据采集、存储系统设计技术指标如下：(1)模拟信号输入通道数16路；(2)模拟信号输入范围0～5V；(3)数据分辨率12bit；(4)3路数字信号输入，1路数字信号输出；(5)采样频率10kHz(最大可升级到20kHz)；(6)存储器容量1GB。图I半硬回收数据采集存储系统Fig．

4、1Schematicdiagramofhalf-reclaimabledataacquisitionandstoragesystem3FPGA时序设计3．1主控逻辑模块设计主控逻辑模块在半硬回收数据采集系统中担任时序控制、数据缓存、Flash读写擦除、A／D转换器的启动、USB接口读写以及与程控系统通信等重要工作，是设计的重点。FPGA选用ALTERA公司的EPlK50。设计思路采用“自上而下”【l】的模式。系统在通电时完成FPGA配置后，FPGA开始工作。首先要完成系统的自检，自检工作主要收稿日期：2009．09．22作者简介：聂飞(1976一)，男，硕士学位，主要从事嵌入式测试系

5、统设计研究和数字图像处理等。E—mail：niecaffei@163．com。112航天器环境工程2010年第27卷包括Flash的无效块检测和初始化、A／D转换器和USB接口控制模块的初始化。系统自检完后通过LED指示系统向程控输出状态信号，系统正常则启动A／D转换器，此时数据不存储，系统处于等待命令状态，当接收到来自程控系统的存储指令后，启动Flash存储模块，并返回一个信号至程控系统。系统自检完后，若USB接口连接至计算机，计算机发出读指令后，FPGA启动读Flash模块并将数据送往计算机进行处理；数据读完后，计算机发出清空Flash指令，FPGA则启动擦除Flash模块。主控

6、逻辑模块j二作流程如图2。主控逻辑模块包含CF、N、WF、RF、EF、WD、NN、RD共8个状态，其状态转移如图3。图2主控逻辑模块工作流程Fig．2Flowchartofmaincontrollermodule≤《一。图3主控逻辑状态转移Fig．3Transferringofmaincontrollerlogicstates3．2A／D时序设计本系统中A／D芯片选用AD7928121，该芯片为8路模拟输入，输入电压范围2．5"---5V可选，采样数据为12bit，单通道最高采样频率1Mbiffs，每次数据转换需要16个时钟周期，输出数据格式见表l。在本系统中，使用了2片AD7928

7、，共16个模拟输入通道，l#A／D的输入通道编号为O～7，2#A／D的输入通道编号为8～15，因此需用4位表示当前数据输出通道号，即当1#A／D输出数据时在其输出地址的基础上增加一位“0”，2#A／D输出数据时在其输出地址的基础上增加一位“1”，这样通道和数据共16位，采用2个字节表示，其数据编码格式见表2。编码好后的数据依次存入在FPGA内开辟的2048B的FIFO中。表1AD7928数据输出格式Table1DataoutputformatofAD792