馬志剛,劉文怡,凌偉

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原030051；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太谷030801)

數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)在圖像數(shù)據(jù)處理、遙測(cè)信息分析、語音識(shí)別、GPS導(dǎo)航、可視電話等一系列高速信號(hào)記錄系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色，并且逐步滲透到其他重要領(lǐng)域。在航天應(yīng)用領(lǐng)域，為了了解飛行艙內(nèi)的情況，飛行器在執(zhí)行飛行任務(wù)的過程中，地面需要對(duì)飛行艙內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，從而精確地獲取艙體內(nèi)部的各種參數(shù)信息。通過事后分析這些信息，可對(duì)飛行器的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)并為下次飛行試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。然而，由于圖像數(shù)據(jù)傳輸速度快，信息量大，飛行艙的空間有限，因此，需要設(shè)計(jì)出一種具有采集與存儲(chǔ)速度快、容量大、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)[1]。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，影響存儲(chǔ)速率的關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)方式。采用LVDS總線傳輸方式和混合編幀技術(shù)提高了數(shù)據(jù)接收的速率；為提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)速率，本文采用了一種可使Flash存儲(chǔ)速度達(dá)到最優(yōu)的交叉雙平面頁編程技術(shù)[1-3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)用于完成對(duì)飛行器飛行過程中圖像數(shù)據(jù)的采集、編碼和存儲(chǔ)。試驗(yàn)結(jié)束后，通過PC控制專用的讀數(shù)裝置讀取存儲(chǔ)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù),并由PC上的數(shù)據(jù)處理軟件完成數(shù)據(jù)的分析與處理。在單元測(cè)試過程中，PC通過PCI通信接口卡(PCI9054)完成與高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的通信，實(shí)現(xiàn)指令的下發(fā)、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)回讀、對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的分析以及生成分析報(bào)告等功能。系統(tǒng)主要功能模塊可劃分為：主控單元、PC、地面監(jiān)控裝置、圖像采集單元、圖像存儲(chǔ)器(Flash)、電壓轉(zhuǎn)換模塊等，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體工作原理框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 PCI板卡設(shè)計(jì)

本文采用PLX公司的PCI9054芯片實(shí)現(xiàn)PCI總線接口的邏輯設(shè)計(jì)。PCI9054的數(shù)據(jù)寬度為32 bit，本地總線支持復(fù)用/非復(fù)用的32 bit地址數(shù)據(jù)總線。PCI總線作為橋接芯片，提供了PCI總線空間、本地總線空間以及配置空間，既能作為PCI總線的發(fā)起設(shè)備也可作為PCI從設(shè)備。FPGA作為本地總線控制器，即PCI局部總線的目標(biāo)設(shè)備，完成PC與下位機(jī)的通信。設(shè)計(jì)采用從模式，基于FPGA和PCI9054的硬件平臺(tái)完成PCI局部總線的設(shè)計(jì)，PCI板卡整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 PCI板卡整體設(shè)計(jì)框圖

PCI板卡插入PC的PCI擴(kuò)展槽使用，如果要正常工作，需要在Windows下編寫驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：(1)連接設(shè)備;(2)設(shè)備初始化;(3)設(shè)備讀和寫;(4)斷開設(shè)備。Windows操作系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)最常用的有 DDK、Driverstudio、Windriver等工具。其中DDK的效率最高，但編寫難度較大，因而多數(shù)技術(shù)人員使用 Driverstudio、Windriver來編寫驅(qū)動(dòng)程序,使用這兩種工具編寫出來的程序也稱為WDM(Windows Device Module)程序。DriverStudio中的 DriverWorks軟件為 WDM驅(qū)動(dòng)程序提供了完整的框架，本設(shè)計(jì)利用其DriverWizard生成驅(qū)動(dòng)程序框架，然后添加各功能函數(shù)。此處利用類KMemoryRange實(shí)現(xiàn)對(duì)PCI9054內(nèi)部存儲(chǔ)器的讀寫訪問，類KIoRange實(shí)現(xiàn)對(duì)其寄存器的訪問[4]。

2.2 LVDS圖像采集編幀技術(shù)

圖3 圖像信號(hào)接口時(shí)序

圖像數(shù)據(jù)由LVDS接口輸入,圖3所示為圖像信號(hào)接口時(shí)序，經(jīng)解串器DS90CR216解碼后轉(zhuǎn)換為21 bit并行總線輸出。圖像數(shù)據(jù)的幀同步信號(hào)周期為10 ms，高電平有效，每幀有289行有效數(shù)據(jù)；行同步信號(hào)周期為32 μs，高電平有效，每行有 384個(gè)有效數(shù)據(jù)；其中，像素時(shí)鐘為15 MHz，圖像像素時(shí)鐘的上升沿為觸發(fā)條件。幀同步信號(hào)低電平期間仍有(10÷0.032)-289=23.5個(gè)行同步信號(hào),即幀同步信號(hào)低電平的時(shí)間應(yīng)為 23.5×0.032 ms=0.752 ms。幀同步信號(hào)高電平的時(shí)間為 9.248 ms，行同步低電平的時(shí)間為 32-(384÷15)=6.4 μs。

測(cè)量信息伴隨著圖像數(shù)據(jù)而來，每接收一幀圖像就接收80 B的測(cè)量信息，測(cè)量信息的串行傳輸波特率為115 200 b/s，每包測(cè)量信息的數(shù)據(jù)共10 bit。為便于PC進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)分析處理，在測(cè)量信息的數(shù)據(jù)前加上幀頭0X“14 92 00”和2 B幀計(jì)數(shù)。待80 B測(cè)量信息全部讀取出來后，給出圖像采集模塊的復(fù)位信號(hào)，同時(shí)清零行計(jì)數(shù)器并清空片內(nèi)FIFO中的信息，將采集到的一幀圖像數(shù)據(jù)和編好幀的測(cè)量信息寫入二選一數(shù)據(jù)選擇器。在幀同步信號(hào)高電平期間，將圖像數(shù)據(jù)寫入外部16 KB的FIFO(IDT7206)；在幀同步信號(hào)低電平期間，將測(cè)量信息寫入，最后等待圖像記錄啟動(dòng)信號(hào)。

2.3 片內(nèi)FIFO設(shè)計(jì)

圖像數(shù)據(jù)的緩存、Flash存儲(chǔ)與事后回讀等過程中都用到了片內(nèi)FIFO，采用片內(nèi)FIFO可降低硬件的復(fù)雜度、節(jié)約了成本且更有利于完成邏輯控制。本文選用的FPGA芯片是XC3S400，該芯片內(nèi)部的16個(gè)Block RAM不占用芯片的邏輯資源，設(shè)計(jì)中采用“A端口只寫，B端口只讀”的思想，根據(jù)每個(gè)端口的時(shí)鐘信號(hào)以及使能信號(hào)分別對(duì)各個(gè)端口進(jìn)行操作。利用IP核技術(shù)構(gòu)建容量為1 KB的片內(nèi)FIFO原理圖如圖4所示[1]。

圖4 IP核構(gòu)建的FIFO

圖4中的FIFO模塊調(diào)用數(shù)據(jù)寬度為8 bit、存儲(chǔ)深度為1 024 B的雙口RAM，該RAM共有兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)單元（A和B）。RAM的每一個(gè)管腳都是獨(dú)立配置的，數(shù)據(jù)和地址的寫入發(fā)生在各個(gè)單元的時(shí)鐘上升沿。數(shù)據(jù)和地址的讀/寫操作還與讀/寫時(shí)鐘有關(guān)，所以設(shè)計(jì)中將A端口寫使能信號(hào)接VCC，B端口的寫使能信號(hào)接GND，實(shí)現(xiàn)“A端口只寫，B端口只讀”。由外部控制模塊fifo_ctrl為雙口RAM的A端口產(chǎn)生寫時(shí)鐘和寫地址，為B端口產(chǎn)生讀時(shí)鐘和讀地址，根據(jù)讀寫地址的差值offset產(chǎn)生FIFO 的空(empty)、半滿(half)以及滿(full)信號(hào)。

2.4 交叉雙平面技術(shù)

圖像傳輸速度快，對(duì)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用寫入速度最快的交叉雙平面頁編程(Interleave Two-plane Page Program)技術(shù)[2-3]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash的交叉雙平面操作，首先要對(duì)Flash（K9WBG08U1M）芯片內(nèi)部平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。整片F(xiàn)lash分為兩片（chip#1和chip#2），每片分為 4個(gè)平面(plane)，每個(gè)平面共 2 048個(gè)存儲(chǔ)塊。也就是說，整個(gè)Flash存儲(chǔ)空間由 8個(gè)平面(plane1～plane8)組成，將這8個(gè)平面分為 4組：chip#1中的 plane0與 plane1為第 0組，plane2與 plane3為第 1組；chip#2中的 plane4與plane5為第 2組，plane6與 plane7為第 3組，F(xiàn)lash的交叉雙平面操作必須嚴(yán)格按照這個(gè)分組執(zhí)行。

定義矢量plane(2:0)對(duì)這8個(gè)平面進(jìn)行操作管理：plane(0)用于控制平面組內(nèi)的兩個(gè)平面之間的切換：為0時(shí)表示對(duì)偶數(shù)平面操作，對(duì)應(yīng)操作偶數(shù)塊；為1時(shí)表示對(duì)奇數(shù)平面操作，對(duì)應(yīng)操作奇數(shù)塊。plane(1)用于完成各個(gè)平面組之間的切換：為0時(shí)表示操作的是偶數(shù)組 (第0組與第 2組)，對(duì)應(yīng)操作 Flash的前 4 096塊,即 A31為 0；為1時(shí)表示對(duì)奇數(shù)組(第1組與第3組)進(jìn)行操作，對(duì)應(yīng)操作Flash的后4 096塊，即A31為 1。plane(2)相當(dāng)于片選信號(hào)，用于內(nèi)部?jī)善現(xiàn)lash之間的切換，為0表示對(duì)chip#1進(jìn)行操作，為1表示對(duì)chip#2操作。進(jìn)行交叉雙平面操作時(shí)，可根據(jù)plane(2:0)的值確定所要操作的平面。

當(dāng)對(duì)第0組平面執(zhí)行編程操作時(shí)，依次往第1組、第2組、第3組的各個(gè)平面中寫入命令、地址和數(shù)據(jù)。經(jīng)過多次反復(fù)測(cè)試，F(xiàn)lash的峰值寫入速度不小于30 MB/s,完成這三組平面的數(shù)據(jù)寫入時(shí)間為 6×4 096 B÷30 MB/s=819.2 μs＞700 μs 。如果寫入 Flash 速度小于峰值速度，則后3組的數(shù)據(jù)寫入時(shí)間將會(huì)更大。所以，當(dāng)這4組依次編程結(jié)束準(zhǔn)備繼續(xù)對(duì)第0組其他頁進(jìn)行編程時(shí)，已經(jīng)錯(cuò)過了第0組的頁編程時(shí)間。交叉雙平面頁編程的方法省去了等待頁編程的時(shí)間，縮短了Flash的寫入時(shí)間，提高了寫入速度[3]。交叉雙平面頁編程時(shí)序如圖5所示。

3 系統(tǒng)功能自檢

系統(tǒng)上電后，先運(yùn)行PC軟件，檢查監(jiān)控裝置與計(jì)算機(jī)之間通信是否正常，然后設(shè)置并啟動(dòng)信號(hào)源，此時(shí)監(jiān)控裝置開始向記錄器發(fā)送數(shù)據(jù)。其中，監(jiān)控裝置下發(fā)的數(shù)字量串行波特率為115 200 b/s，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回收的信號(hào)波特率為800 kb/s，信號(hào)源數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)為：每幀共128 B，前 5 B由幀頭0X “EB 90”和 3 B幀計(jì)數(shù)組成，剩余字節(jié)為0X“0F～89”遞增數(shù)據(jù)。PC監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)容就是監(jiān)控裝置向記錄器發(fā)送的數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)時(shí)顯示的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以判斷系統(tǒng)是否正常工作。通過PC讀取并分析記錄器所存數(shù)據(jù)與下發(fā)信號(hào)源是否一致，完成系統(tǒng)功能自檢。

4 系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果

系統(tǒng)上電后，存儲(chǔ)器接收到啟動(dòng)記錄信號(hào)后開始記錄。記錄圖像數(shù)據(jù)的時(shí)間不限制，直到記滿。圖6是用圖像分析軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)還原后的某幀圖像。

設(shè)計(jì)了一種以FPGA為主控單元，以Flash為存儲(chǔ)介質(zhì)的高速圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。系統(tǒng)用于完成對(duì)高速LVDS圖像數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)具有存儲(chǔ)速度快、存儲(chǔ)容量大、系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足實(shí)際測(cè)試的需求。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中還可以做以下優(yōu)化工作：(1)采用雙片 Flash進(jìn)行雙備份，防止單片 Flash失效而造成數(shù)據(jù)丟失，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性和可靠性[5-6]。(2)對(duì)FPGA代碼進(jìn)行優(yōu)化、提高FPGA資源的使用率[6-8]。

圖5 交叉雙平面頁編程時(shí)序圖

圖6 還原后的某幀圖像

[1]李勇.基于LVDS接口的高速圖像數(shù)據(jù)記錄器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].太原:中北大學(xué),2013.

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