基于FPGA的雙備份多路數據采集存儲系統的設計與實(shí)

3系統軟件設計

3.1采集控制邏輯的設計

對于多通道異步時(shí)分采集這種形式的電路，由于在電子開(kāi)關(guān)切換的過(guò)程中存在著(zhù)串擾，信號受到該串擾后，濾波放大器的輸出在A(yíng)DC采樣前未穩定至其應有的精度，就會(huì )對ADC的采樣有影響，從而影響采集精度。所以，為了解決串擾問(wèn)題，只有在實(shí)踐的基礎上，靠經(jīng)驗去選擇合適的運放，或者是通過(guò)硬件與系統軟件優(yōu)化相結合的方法尋找解決途徑。

在確保系統采樣率的前提下，本設計通過(guò)硬件與軟件相結合的方法來(lái)解決串擾問(wèn)題。硬件上采集模塊選擇SR(壓擺率)較高的運放LF247作為濾波跟隨器，軟件上則以并行的工作方式確保采樣前采樣通道信號的穩定，即在時(shí)序設計上，主程序中采用了兩個(gè)進(jìn)程：(1)完成數據的轉換、幀計數和數據的傳輸; (2)根據幀計數frame_cnt控制通道地址信號a和p進(jìn)行通道切換。這兩個(gè)進(jìn)程并行執行。

FPGA采集控制邏輯流程圖如圖4所示。其中，a為通道選擇輸出，接ADG506的通道選擇控制端(A3~A0);P為ADG506選通信號,接ADG506的片選端(EN)。

由于存儲器采用雙備份設計以及對兩片存儲器的寫(xiě)入操作完全相同，故采集控制邏輯中分別有控制A、B片存儲器的控制信號wrclkA和wrclkB，數據通過(guò)MAdata、MBdata分別存入存儲器的A、B片中，如圖5所示。

圖5[3]是FPGA的時(shí)序轉換圖。其中，Convst為啟動(dòng)轉換信號;Addr為通道地址;byte信號用于控制數據并行輸出的模式，低電平為低8位數據，高電平為高8位數據;ADdata 連接到AD7667的數據輸出端;數據通過(guò)ADdata輸入到FPGA。

圖5的數據轉換過(guò)程：A/D轉換器的數據采集是從Convst信號下降沿開(kāi)始，Convst下降沿啟動(dòng)對n-1通道的采樣轉換, 進(jìn)入轉換進(jìn)程后，通道地址信號a和p根據幀計數切換到采集通道n, 在等待足夠的轉換時(shí)間t4后，AD7667在byte高電平的控制下從AD[7:0]輸出n-1通道高8位的轉換數據,高8位數據在寫(xiě)時(shí)鐘Wrclk的控制下，以足夠的時(shí)間傳輸給緩存器,AD7667在byte低電平的控制下從AD[7:0]輸出n-1通道低8位的轉換數據,低8位數據在寫(xiě)時(shí)鐘Wrclk的控制下，以足夠的時(shí)間傳輸給緩存器，并在傳輸的同時(shí)進(jìn)入n通道的采集過(guò)程，此時(shí)n通道信號在經(jīng)過(guò)了時(shí)間t3后，已經(jīng)達到穩定的電平。

在采集的過(guò)程中測得的Convst信號波形與運放的輸出波形如圖6 (a)、(b)所示。

圖6 (a)、(b)中,CH1通道為Convst信號，頻率約為250 MHz(采樣周期4 μs)，CH2通道為運放輸出信號。 圖6(c)、(d)分別為用LM224和LF247作為運放時(shí)采集數據的回放波形。從圖6 (a)、(b)可以看出，在開(kāi)關(guān)切換的過(guò)程中，運算放大器輸出的信號存在劇烈抖動(dòng)。圖6(a)中測得的是用LM224作為濾波跟隨器(SR為0.3 V/?滋s)的輸出信號，此濾波放大器的輸出抖動(dòng)直到ADC采樣前還未穩定，導致采集到的數據波形出現嚴重失真，如圖6(c)所示;在圖6(b)中的豎線(xiàn)處，運放的輸出也存在一定的抖動(dòng)，然而，由于濾波運放采用LF247(該運放的SR為16 V/?滋s),其輸出在A(yíng)DC采樣前已經(jīng)穩定到極高的精度，所以用該運放作為濾波跟隨器采集到的數據波形非常準確，如圖6(d)所示。

由此可以看出，與傳統的流水線(xiàn)順序相比較，由于硬件描述語(yǔ)言VHDL進(jìn)程之間具有并發(fā)特性(進(jìn)程(1)與進(jìn)程(2)的并發(fā)性)，這樣就必然節省了通道切換、采樣和保持的時(shí)間，同時(shí)結合硬件，選擇合適的運放，即可保證ADC轉換之前轉換通道信號的穩定，這就解決了通道串擾問(wèn)題。

3.2 存儲邏輯設計

存儲邏輯主要包括對Flash的擦除、讀寫(xiě)及識別無(wú)效塊?？刂屏鞒虉D如圖7所示。

存儲器默認為讀狀態(tài),上電復位時(shí)間設置為0.8 s，復位完成則判斷是否處于寫(xiě)狀態(tài)，若是，則記錄采編器傳輸的數據，若否，則在讀請求信號有效時(shí)(低電平有效)，送出Flash芯片內所存數據，送完256 MB自動(dòng)停止。若中間讀請求信號無(wú)效，存儲器停止送數，維持當前狀態(tài)，并等待請求信號再次有效。

當存儲器處于寫(xiě)狀態(tài)時(shí)，A、B片同時(shí)完成數據的記錄;當處于讀狀態(tài)時(shí)，在各自讀請求信號有效時(shí)，分時(shí)復用采編器數據總線(xiàn)，先后將兩套存儲器數據上傳。1#存儲器為默認優(yōu)先上傳存儲器，通過(guò)設置采編器通道切換信號為有電流狀態(tài)，可選擇2#存儲器上傳數據。

備用讀數狀態(tài)下，分別讀取兩套存儲器。