高速信號采集記錄儀設計

摘要：針對高速信號實(shí)時(shí)采集存儲的需求，設計了一種高速信號采集記錄儀。記錄儀通過(guò)高速A/D轉換器對信號進(jìn)行采樣，并實(shí)時(shí)存入NAND FLASH存儲陣列中。為提高數據存儲速率，綜合采用并行總線(xiàn)、交錯雙平面頁(yè)編程、多級流水線(xiàn)等技術(shù)，大幅提升FLASH的寫(xiě)入速度。記錄儀可實(shí)現8bit、200MSPS的采樣速率，并可將速率為200MB/s的采樣數據實(shí)時(shí)存儲。

關(guān)鍵詞：高速采樣;高速存儲;NANDFLASH

0 引言

目前在各工業(yè)領(lǐng)域對數據采集存儲的需求越來(lái)越多，對采集速率和存儲速率的要求也越來(lái)越高。特別是在航空航天領(lǐng)域，經(jīng)常要對高速信號進(jìn)行采集，并將采集數據實(shí)時(shí)存儲在非易失存儲器之中，以便事后分析處理。

為滿(mǎn)足需求，本文提出一種高速信號采集記錄儀的設計方法。采用高速A/D轉換器對輸入信號進(jìn)行200MSPS的高速采樣，然后將采樣數據實(shí)時(shí)存入 FLASH存儲陣列中。綜合采用了并行總線(xiàn)、交錯雙平面頁(yè)編程、多級流水線(xiàn)等技術(shù)，大幅提升FLASH的寫(xiě)入速度，從而實(shí)現200MB/s采樣數據的實(shí)時(shí)存儲記錄。

1 系統組成及工作原理

1.1 記錄儀系統組成

圖1為記錄儀系統組成框圖，記錄儀電路系統主要由FPGA電路、時(shí)鐘電路、高速采集電路、高速存儲電路、電源電路、其他外圍電路等組成。

PGA選用Xilinx公司的XC4VSX55，PLL時(shí)鐘芯片選用TI公司CDCF5801A，A/D轉換器選用TI公司ADS5547，NAND FLASH存儲芯片選用三星公司K9WAG08U1A，USB控制芯片選用CYPR ESS公司CY7C68013A。

1. 2 記錄儀工作原理

系統的工作原理為：上電后，FPGA首先讀取NOR FLASH中存儲的NAND FLASH壞塊信息，在內部RAM中建立壞塊表，之后每次需要對NAND FLASH進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前，都要先查詢(xún)壞塊表，若準備操作的塊為壞塊，則跳到下一塊繼續查詢(xún)，直到找到好塊才進(jìn)行操作。

當需要采集記錄信號時(shí)，先通過(guò)外接的鍵盤(pán)和LCD顯示模塊設置采樣參數。然后記錄儀接收到啟動(dòng)信號后開(kāi)始進(jìn)行采樣記錄，需采樣信號從SMA接口輸入后經(jīng)過(guò)差分放大器轉換為差分信號，然后進(jìn)入A/D轉換器進(jìn)行200MSPS采樣，FPGA接收采樣數據，采樣4級流水線(xiàn)對NAND FLASH存儲陣列進(jìn)行寫(xiě)入操作。此外FPGA還需完成對其他外圍器件的控制。

當需要上傳數據時(shí)，FPGA將數據從NAND FLASH中讀出，通過(guò)USB控制芯片將數據上傳給上位機。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高速A/D采樣

記錄儀采用的A/D轉換器為T(mén)I公司的14bit、210MSPS的高速A/D芯片ADS5547。系統中實(shí)際采用的采樣時(shí)鐘頻率為200MHz，由50MHz晶振時(shí)鐘通過(guò)CDCF5801A倍頻產(chǎn)生。

ADS5547采用的工作模式為L(cháng)VDS DDR模式，即在A(yíng)/D輸出時(shí)鐘的下降沿傳輸采樣數據的奇位，在上升沿傳輸采樣數據的偶位，所以實(shí)際數據傳輸頻率為400MHz，對于這種高速數據傳輸，在PCB設計時(shí)需注意7對差分數據線(xiàn)和1對差分時(shí)鐘線(xiàn)保持等長(cháng)，確保跡線(xiàn)傳輸延時(shí)相同。

在FPGA數據接收模塊的設計中，直接調用芯片中的IDDR原語(yǔ)，如圖2所示，其在SAME EDGE工作模式下的時(shí)序正好匹配ADS5547的數據輸出時(shí)序，所以可將7路DDR數據轉換為14bit并行數據，考慮到NAND FLASH的寫(xiě)入速度，在存儲時(shí)截取采樣數據的高8位，這樣需要存儲數據的速率為200MR/s。

2.2 高速數據存儲

記錄儀采用的非易失存儲器為三星公司的NANDFLASH芯片K9WAG8U1A，單片容量為2GB。由于單片FLASH的存儲容量和寫(xiě)入速度有限，所以使用了16片FLASH成存儲陣列，總容量為32GB，并綜合采用了并行總線(xiàn)、交錯雙平面頁(yè)編程、多級流水線(xiàn)等技術(shù)提升寫(xiě)入速度。

(1)并行總線(xiàn)

為了提升數據吞吐量，將N片FLASH芯片的I/O并行操作，總線(xiàn)寬度增加為單片的N倍，并共用讀寫(xiě)控制線(xiàn)，這樣可將N片FLASH當做一片大位寬 FLASH同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，從而可以將寫(xiě)入速度提升至N倍。在該記錄儀中，是將8片FLASH的I/O并行操作，每片FLASH的數據位寬為8bit，所以總位寬為64bit，寫(xiě)入速率可提高為單片的8倍。平均數據寫(xiě)入周期只需達到40ns即可實(shí)現200MB/s的數據速率，滿(mǎn)足FLASH的25ns最小寫(xiě)入周期要求。

(2)交錯雙平面頁(yè)編程

NAND FLASH的寫(xiě)入操作是以頁(yè)為單位進(jìn)行的，稱(chēng)為頁(yè)編程操作，分為兩階段進(jìn)行。第一階段為數據載入階段，是將數據先寫(xiě)入到頁(yè)寄存器中，第二階段為編程階段，是將數據從頁(yè)寄存器中真正編程到FLASH的存儲單元之中。數據載入頁(yè)寄存器時(shí)最高速率可達到40MB/s(單片)，但數據編程階段所需時(shí)間為 200～700μs，若等待一頁(yè)編程完成之后再進(jìn)行下一頁(yè)數據的載入會(huì )嚴重降低數據寫(xiě)入速率。為充分利用編程階段的時(shí)間，并且增加數據載入時(shí)間以便于流水線(xiàn)操作，采用了交錯雙平面頁(yè)編程方法。

每片K9WAG08U1A實(shí)際上是由2片K9K8G08U0A組成，而每片K9K8G08U0A又由2片K9F4G08U0A組成，每片 K9F4G08U0A又由2個(gè)2Gb的存儲平面組成，每個(gè)存儲平面有獨立的2112字節頁(yè)寄存器，因此可實(shí)現雙平面頁(yè)編程操作，而2片 K9F4G08U0A之間可以實(shí)現交替操作。K9K8G08U0A存儲平面如圖3所示，Plane0和Plane1組成第1片 K9F4G08U0A，Plane2和Plane3組成第2片K9F4G08U0A。

當進(jìn)行FLASH編程操作時(shí)，先發(fā)送雙平面編程指令，然后Plane0和Plane1進(jìn)行數據載入，載入完成后進(jìn)入編程階段。此時(shí)無(wú)需等待編程結束，直接對Plane2和Plane3繼續進(jìn)行數據載入，即可實(shí)現交錯雙平面頁(yè)編程。操作時(shí)序如圖4所示。

(3)多級流水線(xiàn)

運用交錯雙平面頁(yè)編程方式后，可以連續進(jìn)行4頁(yè)的數據載入操作，但載入完成后整片K9WAG08U1A的4個(gè)平面都將進(jìn)入編程階段，無(wú)法繼續進(jìn)行操作。為了實(shí)現數據的連續載入，采用了多級流水線(xiàn)技術(shù)。

實(shí)現流水線(xiàn)操作首先要對FLASH存儲陣列進(jìn)行分組。由于每片FLASH是由2片K9K8G08U0A組成，所以存儲陣列可以看作由32片K9K8G08U0A組成，把每8片K9K8G08U0A分為一組，在讀寫(xiě)時(shí)并行操作，這樣整個(gè)存儲陣列分為四組，如圖5所示。

流水線(xiàn)操作方法如圖6所示。FLASH進(jìn)行寫(xiě)入時(shí)，首先通過(guò)片選信號選中第1組FLASH，進(jìn)行數據載入操作，載入完成后，該組FLASH進(jìn)入編程階段，此時(shí)切換片選信號，選中第2組FLASH，繼續進(jìn)行數據載入，依此類(lèi)推。由于采用了交錯雙平面頁(yè)編程方式，所以每個(gè)載入過(guò)程可以載入4頁(yè)的數據，而采用并行總線(xiàn)之后，位寬為64bit，即每個(gè)寫(xiě)周期可寫(xiě)入8Bytes的數據，按照200MB/s的數據速率計算，每個(gè)載入階段的時(shí)間為：

當第4組FLASH的載入過(guò)程完成后，距離第1組FLASH開(kāi)始編程時(shí)已過(guò)去983μs，大于最長(cháng)編程時(shí)間700μs，所以第1組可繼續開(kāi)始數據載入操作。通過(guò)流水線(xiàn)操作，實(shí)現了數據的連續載入，從而大幅提高了寫(xiě)入速度，實(shí)現了200MB/s的數據存儲速率。

3 試驗驗證

為驗證記錄儀的性能，進(jìn)行了數據采集試驗。試驗中采用信號發(fā)生器產(chǎn)生周期為100ns的正弦信號輸入記錄儀，記錄儀對其進(jìn)行實(shí)時(shí)采集存儲，采集時(shí)間為 5s，即產(chǎn)生的數據量為1GB。采集完成后，在上位機軟件中發(fā)出上傳指令讀取FLASH中的數據，并通過(guò)USB接口上傳到上位機形成二進(jìn)制數據文件。然后截取其中的一段波形進(jìn)行顯示，如圖7所示。

在圖中可以看到，正弦信號的每個(gè)周期對應20個(gè)點(diǎn)，而采樣周期為5ns，所以20個(gè)點(diǎn)為100ns，與設置的信號周期相一致，說(shuō)明記錄儀實(shí)現了200MSPS的采樣速率和200MB/s的數據存儲速率。

4 結論

設計了一種高速信號采集記錄儀，該記錄儀可 實(shí)現8bit，200MSPS的采樣率，并可對采樣數據實(shí)時(shí)存儲。其電路系統可由單板實(shí)現，具有體積小，便于攜帶和應用的優(yōu)點(diǎn)。該記錄儀適用于各種需要高速信號采集的場(chǎng)合，應用前景廣泛。