車(chē)載CAN總線(xiàn)記錄儀的大容量存儲系統設計

引言
CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))總線(xiàn)是德國B(niǎo)osch公司在20世紀80年代初，為了解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議。它的短幀數據結構、非破壞性總線(xiàn)性仲裁技術(shù)以及靈活的通信方式適應了汽車(chē)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，倍受汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)商的青睞。隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)上的ECU(Electronic Control Unit，電子控制單元)越來(lái)越多，如電控燃油噴射系統、防抱死制動(dòng)系統、防滑控制系統等，相應的數據量也越來(lái)越大，如何采用合理的存儲方案是記錄儀等大容量存儲系統的關(guān)鍵。本文詳細闡述了大容量存儲系統系統的整體結構、硬件電路設計。利用“FPGA+單片機”作為存儲控制器，采用基于LZW算法的數據壓縮技術(shù)，以SDRAM作為周期存儲和緩存，SD卡作為最終存儲載體。實(shí)驗結果表明，該存儲系統可以很好地應用于車(chē)載信息記錄儀。

1 系統整體結構設計
如圖1所示，存儲系統主要包括以下模塊：FPGA主控模塊、CAN總線(xiàn)監聽(tīng)控制模塊、數據壓縮模塊、SDRAM控制模塊和單片機控制CH376模塊。本文主要介紹存儲部分，CAN總線(xiàn)監聽(tīng)控制模塊不做介紹。圖中，點(diǎn)畫(huà)線(xiàn)內的部分均由FPGA控制。后端SD卡由MSP430單片機控制，SD協(xié)議芯片采用CH376。FPGA控制CAN總線(xiàn)控制芯片、CAN總線(xiàn)收發(fā)器從總線(xiàn)上獲取數據，經(jīng)過(guò)數據壓縮模塊壓縮，存入SDRAM里。這里采用兩種存儲模式：一種是利用SDRAM存儲的可覆蓋性進(jìn)行周期存儲，具體存儲周期由壓縮率和SDRAM容量決定；另一種是直接存儲，SDRAM作為緩存。當選擇直接存儲時(shí)，FPGA與單片機通信，利用FIFO給單片機發(fā)送數據，單片機控制CH376將數據存入SD卡(存儲時(shí)間由SD卡容量決定)。

2 系統硬件設計
2．1 FPGA主控模塊
FPGA選用Altera公司的Cyclone II系列芯片EP2C5T14418N，它具有內部資源豐富、速度快的特點(diǎn)。上電后，主控模塊使能CAN總線(xiàn)監聽(tīng)控制模塊、數據壓縮模塊、SDRAM控制模塊。如果選擇周期存儲，則不使能單片機；若選擇直接存儲，則讓單片機處于低功耗狀態(tài)，當SDRAM有數據時(shí)FPGA把數據發(fā)給單片機，并使其控制CH376工作。
2．2 數據壓縮模塊
壓縮算法采用LZW算法。該算法是一種基于字典的壓縮算法，在數據的壓縮過(guò)程中會(huì )根據輸入的數據動(dòng)態(tài)地建立一個(gè)字典。后續輸入的數據都會(huì )在這個(gè)字典中進(jìn)行匹配查找，根據查找是否成功決定壓縮編碼的輸出。該算法的巧妙之處在于，壓縮過(guò)程中動(dòng)態(tài)建立的字典不需要與壓縮數據流一道進(jìn)行傳輸和存儲，然而在對數據進(jìn)行解壓時(shí)也能夠通過(guò)壓縮數據流重新建立一個(gè)字典，來(lái)完成解壓縮。LZW壓縮算法流程如圖2所示。根據該流程，采用C語(yǔ)言設計壓縮與解壓縮軟件以驗證算法和硬件壓縮的正確性，用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)了壓縮代碼，利用FPGA內部RAM資源建立字典。LZW壓縮算法的硬件邏輯功能框圖如圖3所示。