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。
3系统软件设计
3.1采集控制逻辑的设计
对于多通道异步时分采集这种形式的电路，由于在电子开关切换的过程中存在着串扰，信号受到该串扰后，滤波放大器的输出在ADC采样前未稳定至其应有的精度，就会对ADC的采样有影响，从而影响采集精度。所以，为了解决串扰问题，只有在实践的基础上，靠经验去选择合适的运放，或者是通过硬件与系统软件优化相结合的方法寻找解决途径。
在确保系统采样率的前提下，本设计通过硬件与软件相结合的方法来解决串扰问题。硬件上采集模块选择SR(压摆率)较高的运放LF247作为滤波跟随器，软件上则以并行的工作方式确保采样前采样通道信号的稳定，即在时序设计上，主程序中采用了两个进程：(1)完成数据的转换、帧计数和数据的传输; (2)根据帧计数frame_cnt控制通道地址信号a和p进行通道切换。这两个进程并行执行。
FPGA采集控制逻辑流程图如图4所示。其中，a为通道选择输出，接ADG506的通道选择控制端(A3~A0);P为ADG506选通信号,接ADG506的片选端(EN)。
由于存储器采用双备份设计以及对两片存储器的写入操作完全相同，故采集控制逻辑中分别有控制A、B片存储器的控制信号wrclkA和wrclkB，数据通过MAdata、MBdata分别存入存储器的A、B片中，如图5所示。
图5[3]是FPGA的时序转换图。其中，Convst为启动转换信号;Addr为通道地址;byte信号用于控制数据并行输出的模式，低电平为低8位数据，高电平为高8位数据;ADdata 连接到AD7667的数据输出端;数据通过ADdata输入到FPGA。
图5的数据转换过程：A/D转换器的数据采集是从Convst信号下降沿开始，Convst下降沿启动对n-1通道的采样转换, 进入转换进程后，通道地址信号a和p根据帧计数切换到采集通道n, 在等待足够的转换时间t4后，AD7667在byte高电平的控制下从AD[7:0]输出n-1通道高8位的转换数据,高8位数据在写时钟Wrclk的控制下，以足够的时间传输给缓存器,AD7667在byte低电平的控制下从AD[7:0]输出n-1通道低8位的转换数据,低8位数据在写时钟Wrclk的控制下，以足够的时间传输给缓存器，并在传输的同时进入n通道的采集过程，此时n通道信号在经过了时间t3后，已经达到稳定的电平。
在采集的过程中测得的Convst信号波形与运放的输出波形如图6 (a)、(b)所示。
图6 (a)、(b)中,CH1通道为Convst信号，频率约为250 MHz(采样周期4 μs)，CH2通道为运放输出信号。 图6(c)、(d)分别为用LM224和LF247作为运放时采集数据的回放波形。从图6 (a)、(b)可以看出，在开关切换的过程中，运算放大器输出的信号存在剧烈抖动。图6(a)中测得的是用LM224作为滤波跟随器(SR为0.3 V/?滋s)的输出信号，此滤波放大器的输出抖动直到ADC采样前还未稳定，导致采集到的数据波形出现严重失真，如图6(c)所示;在图6(b)中的竖线处，运放的输出也存在一定的抖动，然而，由于滤波运放采用LF247(该运放的SR为16 V/?滋s),其输出在ADC采样前已经稳定到极高的精度，所以用该运放作为滤波跟随器采集到的数据波形非常准确，如图6(d)所示。
由此可以看出，与传统的流水线顺序相比较，由于硬件描述语言VHDL进程之间具有并发特性(进程(1)与进程(2)的并发性)，这样就必然节省了通道切换、采样和保持的时间，同时结合硬件，选择合适的运放，即可保证ADC转换之前转换通道信号的稳定，这就解决了通道串扰问题。
3.2 存储逻辑设计
存储逻辑主要包括对Flash的擦除、读写及识别无效块。控制流程图如图7所示。
存储器默认为读状态,上电复位时间设置为0.8 s，复位完成则判断是否处于写状态，若是，则记录采编器传输的数据，若否，则在读请求信号有效时(低电平有效)，送出Flash芯片内所存数据，送完256 MB自动停止。若中间读请求信号无效，存储器停止送数，维持当前状态，并等待请求信号再次有效。
本文关键字：数据采集 传感-检测-采集技术，电子知识资料 - 传感-检测-采集技术
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