基于FPGA的多路隔離信號存儲系統(tǒng)設(shè)計

倪震明

摘 要：文中設(shè)計了以FPGA為控制核心，以Flash K9WBG08U1M為存儲介質(zhì)的存儲系統(tǒng)。系統(tǒng)上電工作后開始接收PCM碼流，并在起飛信號喚醒后接收3路隔離模擬量，數(shù)據(jù)存儲完成后，通過RS 422將存儲數(shù)據(jù)回讀進(jìn)行分析。文中介紹了系統(tǒng)整體組成、各模塊功能設(shè)計和系統(tǒng)邏輯設(shè)計。測試結(jié)果表明，該存儲系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定，滿足任務(wù)要求。

關(guān)鍵詞：FPGA；信號存儲；Flash；RS 422

中圖分類號：TN431.2；TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-00-03

0 引 言

在航天測控系統(tǒng)中，遙測參數(shù)的測試對于驗證飛行器的設(shè)計參數(shù)、判斷試驗中的故障等具有重要意義[1]。本文研制的采集存儲系統(tǒng)作為遙測系統(tǒng)的組成部分，用于實時存儲飛行器在飛行中的動態(tài)參數(shù)。存儲系統(tǒng)以FPGA作為控制核心，以Flash作為數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)，以接收到起飛信號作為啟動模擬量數(shù)據(jù)采集的起點，實現(xiàn)1路5 Mb/s的PCM碼流和3路模擬量的接收。試驗完成后，將存儲數(shù)據(jù)回讀，對其進(jìn)行分析和回放，以驗證接收的數(shù)據(jù)是否正確、完整。

1 存儲系統(tǒng)組成

存儲系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。主控單元FPGA上電進(jìn)行初始化后，等待并解析RS 422接收器接收的命令，當(dāng)接收到啟動記錄命令時，開始接收PCM碼流，直到存儲系統(tǒng)被斷電。當(dāng)判斷接收的起飛信號有效時，采集并存儲3.2 s模擬量。其中，3路模擬量之間要求互相隔離，模擬量與PCM碼流也互相隔離。記錄完成后，通過RS 422發(fā)送器將接收的數(shù)據(jù)傳至地面設(shè)備進(jìn)行事后分析。

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計

2.1 RS 422接口電路

存儲系統(tǒng)的RS 422接口電路包括PCM碼流接收電路、與地面設(shè)備通信時命令接收和數(shù)據(jù)發(fā)送電路。RS 422接口在傳輸數(shù)據(jù)時使用雙絞線傳輸。

RS 422命令接收模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊采用異步串行方式，包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位校驗位和1位停止位。存儲系統(tǒng)在接收命令時，先判斷起始位，當(dāng)起始位有效時開始接收8位數(shù)據(jù)，接收完8位數(shù)據(jù)后進(jìn)行校驗，校驗為有效數(shù)據(jù)時才對其解析，執(zhí)行相應(yīng)命令。

根據(jù)要求，存儲系統(tǒng)需要接收1路5 Mb/s的PCM數(shù)字量。按照發(fā)送端接口要求，硬件采用DS26C32作為RS 422接口芯片。PCM碼流接口時序如圖2所示。接收數(shù)據(jù)時以碼同步信號作為同步信號。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，發(fā)送端在碼同步上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，存儲系統(tǒng)在碼同步下降沿接收數(shù)據(jù)，每個碼同步時鐘接收1位數(shù)據(jù)，每個字節(jié)按照先高位后低位的順序依次接收。FPGA對PCM碼流解碼時，先將串行接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)，并對接收的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行實時判斷，當(dāng)判斷到連續(xù)兩個字節(jié)為主幀幀標(biāo)志EB90或副幀標(biāo)志146F后，開始接收后面完整的字節(jié)。

2.2 起飛信號接收

存儲系統(tǒng)采用高速數(shù)字光耦HCPL-5531接收起飛信號。起飛信號的正確接收能夠確保模擬量正常啟動采集。為防止起飛信號誤觸發(fā)，F(xiàn)PGA在接收起飛信號時，會進(jìn)行4 ms的寬度判別[2]，當(dāng)起飛信號變成高電平后開始計時，計時4 ms，只有起飛信號保持高電平不變，才會認(rèn)為起飛信號有效。

2.3 模擬量采集

存儲系統(tǒng)需要采集的模擬量信號最高頻率為6 kHz，在設(shè)計時，將各通道模擬量采樣率設(shè)置為40 kHz，以保證采樣后的數(shù)字信號可以完整保留原始信號中的信息。0～5 V的輸入模擬量信號通過隔離電路后進(jìn)入由OPA4340搭建的電壓跟隨電路，以避免后續(xù)電路對信號處理時由于信號的輸出阻抗過高引起損耗[3]。經(jīng)調(diào)理后的模擬量由FPGA控制ADS8365采集，ADS8365是TI公司生產(chǎn)的高速、低功耗、6通道同步采樣的高性能A/D轉(zhuǎn)換器，其最高采樣率為250 kHz[4]。ADS8365采集電路如圖3所示。

由于只需要采集3路模擬量，F(xiàn)PGA控制ADS8365進(jìn)行時，分別給、和一個低脈沖，ADS8365啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，設(shè)置信號為低電平，在信號的上升沿從并行接口以循環(huán)模式將數(shù)據(jù)讀回。對于采集的模擬量，采用編碼方式將循環(huán)一次采集的3路模擬量作為一個數(shù)據(jù)塊，后面加上2字節(jié)幀計數(shù)和2字節(jié)幀標(biāo)志（DAAD）進(jìn)行存儲。模擬量幀格式如圖4所示。在后期分離和分析數(shù)據(jù)時，可以很方便地根據(jù)幀結(jié)構(gòu)提取出各通道模擬量數(shù)據(jù)。

2.4 隔離電路設(shè)計

根據(jù)任務(wù)要求，為避免信號之間的相互干擾，需要將數(shù)字量和模擬量互相隔離，將各模擬量之間彼此隔離。存儲系統(tǒng)在設(shè)計時，采用信號全隔離的思想進(jìn)行電源隔離和信號隔離。設(shè)計模擬量電路和數(shù)字量電路時，電源不供地，分別對模擬量和數(shù)字量設(shè)計供電電源，以避免數(shù)模共地帶來的干擾影響到傳輸質(zhì)量。而對于3路模擬量之間的隔離，選用ISO122P隔離放大器作為模擬信號隔離芯片，模擬量隔離電路如圖5所示。為保證模擬量的徹底隔離，對輸入信號供電與輸出信號供電、輸入信號地與輸出信號地也進(jìn)行隔離，以保證各信號之間互不影響，同時避免某路信號發(fā)生傳輸故障時，對硬件其他電路造成不良影響。

2.5 Flash存儲模塊

存儲系統(tǒng)存儲1路5 Mb/s的PCM碼流，若其速率為5/8MB/s=0.625 MB/s，記錄時間為3 900 s，由此計算出PCM碼流存儲需要的容量為2 437.5 MB。采集3路模擬量，每路采樣率為40 kHz，每次采樣存儲字節(jié)數(shù)為10B，存儲時間為3.2 s，由此，模擬量存儲所需容量為40kHz×10B×3.2s=1.25MB。固存系統(tǒng)所需總?cè)萘繛? 437.5 MB+1.25 MB=2 438.75 MB。選用三星公司容量為4 GB的NAND型Flash K9WBG08U1M作為存儲介質(zhì)。從以上計算可以看出，系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲總速率比較慢，F(xiàn)lash采用普通寫入方式即可滿足存儲系統(tǒng)寫入速率要求。

3 系統(tǒng)邏輯設(shè)計與功能實現(xiàn)

存儲系統(tǒng)選用Xilinx公司Spartan-2系列的XC2S200 FPGA作為控制單元，用以實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。采用模塊化設(shè)計原則，不僅可以降低邏輯設(shè)計難度，還可以方便整體功能的調(diào)試。FPGA設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖6所示。

存儲系統(tǒng)的工作模式分為擦除模式、記錄模式和回讀模式。系統(tǒng)上電完成系統(tǒng)復(fù)位后，F(xiàn)PGA控制接收異步串行命令。當(dāng)判斷到異步串行數(shù)據(jù)起始位為低電平時，接收后面8位數(shù)據(jù)，接收完成后對照校驗位判斷數(shù)據(jù)是否有效，若數(shù)據(jù)有效，則對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時解析。

當(dāng)解析當(dāng)前指令為擦除指令時，對Flash進(jìn)行擦除操作。擦除操作按塊進(jìn)行[5]，在Flash的數(shù)據(jù)端口先寫入擦除標(biāo)志60 h，再寫入塊地址，最后寫入擦除命令D0h，即可擦除該塊。擦除成功后，塊地址遞增并循環(huán)上述操作，即可完成對整個Flash的擦除。若擦除失敗，則向塊中寫入無效塊標(biāo)志。所有塊擦除后，返回進(jìn)行指令判斷。

當(dāng)解析當(dāng)前指令為記錄指令時，存儲系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)并且由FPGA控制Flash進(jìn)行寫操作。FPGA在時鐘作用下判斷碼同步下降沿，在每個下降沿接收1位數(shù)據(jù)，連續(xù)接收16位數(shù)據(jù)組成2個完整的字節(jié)，實時判斷這2個字節(jié)，當(dāng)這兩個字節(jié)為主幀標(biāo)志EB90或副幀標(biāo)志146F時，才將后面接收的數(shù)據(jù)存儲。同時，實時判斷起飛信號，當(dāng)起飛信號有效時，開始采集模擬量。將外部參考時鐘分頻得到3 M時鐘作為ADS8365的參考時鐘，F(xiàn)PGA控制將、和拉低以啟動轉(zhuǎn)換，約5.5 μs后，轉(zhuǎn)換完成，F(xiàn)PGA控制和信號將3路數(shù)據(jù)讀取并進(jìn)行編碼。接收的數(shù)字量和模擬量采用混合編幀方式寫入Flash。對Flash進(jìn)行寫操作時，先判斷當(dāng)前塊是否為有效塊，若當(dāng)前塊為無效塊，則跳過該塊，若當(dāng)前塊為有效塊，則按頁寫入4 K數(shù)據(jù)后進(jìn)行頁編程，循環(huán)寫并編程的過程直到寫完64頁才算完成了一塊數(shù)據(jù)的寫入，循環(huán)上述過程，直至存儲系統(tǒng)被斷電。

當(dāng)解析當(dāng)前指令為回讀指令時，F(xiàn)PGA控制Flash進(jìn)行讀數(shù)操作。讀取數(shù)據(jù)時先判斷當(dāng)前塊是否為有效塊，若為無效塊則跳過該塊，若為有效塊，則按頁將數(shù)據(jù)讀出，采用異步串行的方法按照1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位校驗位和1位停止位的順序，將讀出的數(shù)據(jù)按字節(jié)發(fā)送至地面設(shè)備進(jìn)行處理。

4 存儲系統(tǒng)測試結(jié)果

在完成存儲系統(tǒng)的硬件功能和軟件功能調(diào)試后，對其進(jìn)行綜合性測試。由外部信號源發(fā)送PCM碼流、直流量和起飛信號，存儲系統(tǒng)接收信號并存儲。完成測試后利用分析軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，拆分出模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)。

圖7所示為拆分后的模擬量數(shù)據(jù)。前6列中，每兩列代表1路數(shù)據(jù)，按照第1路到第3路的順序。第7、8列為幀計數(shù)，從圖中可以看出，幀計數(shù)連續(xù)遞增，最后兩列DAAD是幀標(biāo)志。可以看出，采集結(jié)果與設(shè)計值完全一致。圖8所示為模擬量第1路數(shù)據(jù)繪圖，其中信號源第1路模擬量發(fā)送的是1 V直流量，圖7的x軸表示采集的時間，y軸表示采集的電壓，可見采集的時間符合設(shè)計值，采集的電壓值與實際發(fā)送電壓值相同。

圖9所示為PCM碼流接收片段。最后兩列為數(shù)據(jù)中的主幀標(biāo)志EB90，將數(shù)據(jù)與信號源發(fā)送的PCM碼流對比可知，存儲系統(tǒng)接收的PCM數(shù)字量幀結(jié)構(gòu)正確，通過分析軟件分析，接收PCM數(shù)字量過程中沒有出現(xiàn)丟數(shù)或誤碼的情況。

5 結(jié) 語

根據(jù)全信號隔離數(shù)據(jù)采集的思想要求，設(shè)計了基于FPGA的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，可以接收1路PCM數(shù)字量和3路模擬量，數(shù)字量與模擬量之間互相隔離，3路模擬量之間也互相隔離。該存儲系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某飛行試驗，通過各項試驗驗證，存儲系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，各項指標(biāo)滿足任務(wù)要求。

參考文獻(xiàn)

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