夏光輝，秦建軍，王大成

（1.91550部隊(duì)93分隊(duì)，遼寧 大連 116023；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001）

基于FPGA的雙CF卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏光輝1，秦建軍2，王大成2

（1.91550部隊(duì)93分隊(duì)，遼寧 大連 116023；2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001）

在FPGA內(nèi)部建立以Nios II軟核為核心的片上控制系統(tǒng)，在保留FPGA并行處理優(yōu)勢(shì)的前提下，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的靈活性；利用雙CF卡做為存儲(chǔ)介質(zhì)，系統(tǒng)始終保證一張卡處于被寫(xiě)狀態(tài)，另一張卡處于可讀或可取下?tīng)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的不間斷存儲(chǔ)；通過(guò)移植廣泛使用的FAT32文件系統(tǒng)，解決CF卡內(nèi)數(shù)據(jù)的高效管理問(wèn)題；采用USB2.0接口將CF卡中的數(shù)據(jù)上傳給計(jì)算機(jī)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作于黑匣子記錄模式。該設(shè)計(jì)方案在需要不間斷記錄數(shù)據(jù)的應(yīng)用中廣泛適用。

FPGA；Nios II；CF卡；FAT32；USB

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求越來(lái)越多。如何實(shí)時(shí)、連續(xù)地采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)已成為備受關(guān)注的問(wèn)題［1-2］。隨著超大規(guī)模集成電路制造工藝的不斷提高，以FPGA為代表的可編程邏輯器件為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了全新的思路［3-4］。本文正是利用FPGA器件并行處理能力強(qiáng)、功能可裁剪等優(yōu)勢(shì)［5-6］，結(jié)合CF卡工作穩(wěn)定、訪(fǎng)問(wèn)速度快的特點(diǎn)［7］，提出了一套可運(yùn)行在乒乓模式下的雙CF卡數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。該方案特別適用于需要不間斷記錄數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

參見(jiàn)圖1，系統(tǒng)由A/D模塊、控制模塊、存儲(chǔ)模塊和USB接口模塊4個(gè)功能模塊構(gòu)成。

A/D以12bit二進(jìn)制補(bǔ)碼形式輸出數(shù)據(jù)給FPGA；FPGA首先利用內(nèi)建的FIFO對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，再通過(guò)可編程片上系統(tǒng)［8-9］（SOPC）的CF控制模塊將緩存后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入CF卡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；當(dāng)一個(gè)CF卡數(shù)據(jù)存滿(mǎn)后，總線(xiàn)開(kāi)關(guān)在FPGA的控制下實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)CF卡間的切換。與FPGA相連接的CF卡處于寫(xiě)狀態(tài)；與USB接口芯片相連接的CF卡處于可讀狀態(tài)。在可讀狀態(tài)下的CF卡可以直接取下，進(jìn)行更換。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System block diagram

CF卡與FPGA的連接如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖3給出了系統(tǒng)的工作流程。系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA首先完成程序自舉引導(dǎo)和初始化操作，之后開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，每當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖完成，則將數(shù)據(jù)寫(xiě)入CF卡。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)是FPGA程序的最主要部分，它不僅涉及SOPC的配置、CF4.0協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，還包括FAT32文件系統(tǒng)的建立和管理［10］。圖4給出了CF卡在PIO模式下的數(shù)據(jù)傳輸流程圖。

圖2 CF卡與FPGA連接電路圖Fig.2 Connection schematic of CF card and FPGA

圖3 系統(tǒng)整體工作流程圖Fig.3 Overall system flow chart

圖4 PIO模式傳輸實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.4 PIO mode transmission flow chart

在完成CF卡扇區(qū)讀寫(xiě)控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)按照FAT32文件格式存儲(chǔ)要經(jīng)過(guò)以下五個(gè)步驟：文件系統(tǒng)初始化、新建文件操作、修改目錄項(xiàng)操作、申請(qǐng)空閑簇操作和添加文件內(nèi)容操作。圖5～7給出了其中幾個(gè)關(guān)鍵操作的流程圖。

程序首先讀取CF卡的啟動(dòng)扇區(qū)，獲得參數(shù)信息，并由此計(jì)算出FAT表的起始扇區(qū)、系統(tǒng)總扇區(qū)數(shù)和總簇?cái)?shù)，再修改2～10號(hào)簇的FAT表項(xiàng)將其分配給根目錄并構(gòu)成簇鏈，然后通過(guò)查詢(xún)FDT和FAT表獲得當(dāng)前目錄項(xiàng)在根目錄區(qū)的位置（fdt_cnt）和文件數(shù)（file_num）信息、以及最后分配的簇在FAT中的位置（fat_cnt）。

圖5 文件系統(tǒng)初始化Fig.5 File system initialization

圖6 新建文件Fig.6 Create new file

圖7 添加文件內(nèi)容Fig.7 Add the contents of the file

系統(tǒng)采用短文件名的方式存儲(chǔ)目錄項(xiàng)信息，以32個(gè)字節(jié)為單位進(jìn)行目錄文件所占簇的分配。通過(guò)新建文件操作時(shí)獲得的根目錄區(qū)位置，計(jì)算出新建文件目錄項(xiàng)在根目錄中的簇地址、扇區(qū)地址和偏移地址信息；再判斷簇地址是否超出根目錄分配的簇地址，如果超出則說(shuō)明沒(méi)有空間記錄新建文件目錄項(xiàng)信息；根據(jù)之前得到的簇地址和扇區(qū)地址讀取新建目錄項(xiàng)所在扇區(qū)，修改新建目錄項(xiàng)信息并寫(xiě)入該扇區(qū)，最終完成目錄項(xiàng)建立操作。

為了提高CF卡寫(xiě)卡的速度，減少申請(qǐng)空閑簇的頻率，所以在每次申請(qǐng)空閑簇時(shí)連續(xù)申請(qǐng)50個(gè)新簇（最大可申請(qǐng)簇?cái)?shù)127個(gè)），對(duì)應(yīng)大小為50×16 kB=800 kB，這樣只要申請(qǐng)10次就能完成一個(gè)文件數(shù)據(jù)的寫(xiě)入工作；然后判斷申請(qǐng)新簇后的根目錄區(qū)位置有沒(méi)有超出系統(tǒng)總簇?cái)?shù)，若超出說(shuō)明沒(méi)有足夠的空間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，需要切換CF卡；如果沒(méi)有超出則由根目錄區(qū)位置計(jì)算出新FAT表項(xiàng)所在FAT表中的簇地址、扇區(qū)地址和偏移地址信息；讀取根目錄區(qū)位置所在扇區(qū)，判斷所申請(qǐng)的50個(gè)新簇是否都在一個(gè)扇區(qū)，如果不在同一個(gè)扇區(qū)，則需要修改剩余簇號(hào)在上一扇區(qū)FAT表中的表項(xiàng)信息。

每次申請(qǐng)空閑簇的最后一簇時(shí)都寫(xiě)入結(jié)束標(biāo)記，所以要判斷是否是新建文件。如果不是新建文件，則要修改上一次申請(qǐng)空閑簇時(shí)，對(duì)應(yīng)最后一簇的結(jié)束標(biāo)記信息，使文件構(gòu)成一個(gè)完整的簇鏈。將50或51個(gè)簇對(duì)應(yīng)FAT表的表項(xiàng)信息修改完成后，寫(xiě)入FAT表中完成空閑簇申請(qǐng)操作。

新建文件的目錄項(xiàng)默認(rèn)沒(méi)有給新文件分配起始簇號(hào)，所以對(duì)于新文件在添加內(nèi)容時(shí)，要記下首簇號(hào)并修改文件目錄項(xiàng)中對(duì)應(yīng)首簇地址?？臻e簇申請(qǐng)完成后，修改文件目錄項(xiàng)中文件的大小，將更新后的文件目錄項(xiàng)信息寫(xiě)入文件所在根目錄扇區(qū)中，最后根據(jù)申請(qǐng)的50個(gè)空閑簇號(hào)獲得每個(gè)簇地址所在的首扇區(qū)地址，循環(huán)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)上述5個(gè)步驟，就可以在CF卡內(nèi)建立FAT32文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入。

3 系統(tǒng)功能測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 采集功能測(cè)試

FPGA產(chǎn)生A/D采樣轉(zhuǎn)換和使能信號(hào)，同時(shí)打開(kāi)異步FIFO的寫(xiě)數(shù)據(jù)使能信號(hào)，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)連續(xù)地送入異步FIFO中進(jìn)行緩存。程序不斷檢測(cè)當(dāng)前寫(xiě)入FIFO的數(shù)據(jù)總量，如果寫(xiě)入數(shù)據(jù)深度達(dá)到16kB則使能讀數(shù)據(jù)中斷信號(hào)。SOPC檢測(cè)到上述中斷信號(hào)后產(chǎn)生讀數(shù)據(jù)時(shí)鐘，在每個(gè)時(shí)鐘下降沿讀取異步FIFO中的數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO被讀空時(shí)，禁止讀使能信號(hào)。由于讀時(shí)鐘是寫(xiě)時(shí)鐘的N倍（N遠(yuǎn)大于1），所以對(duì)異步FIFO的訪(fǎng)問(wèn)沒(méi)有用到寫(xiě)滿(mǎn)或讀空標(biāo)志位。

在Signal Tap II［11］中觀(guān)測(cè)FIFO中的數(shù)據(jù)波形，如圖8所示。其中ad_clk為A/D采樣頻率（1 MHz）；datain1是A/D轉(zhuǎn)換后采集到的12bit二進(jìn)制補(bǔ)碼；FIFO:RAM|q是經(jīng)過(guò)異步FIFO緩沖后讀取的數(shù)據(jù)。FIFO緩沖區(qū)的建立，為數(shù)據(jù)的連續(xù)不間斷存儲(chǔ)創(chuàng)造了條件。由圖可知：在datain1的每一個(gè)周期內(nèi)都有10個(gè)采樣點(diǎn)，滿(mǎn)足10倍采樣率的設(shè)計(jì)要求。與輸入測(cè)試信號(hào)比較，采集獲得的信號(hào)正確。

圖8 FIFO中的數(shù)據(jù)Fig.8 Data in the FIFO

3.2 存儲(chǔ)功能測(cè)試

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)采用兩張閃迪（San Disk）公司推出的CF卡，其容量分別為4 GB、8 GB，均支持PIO和UDMA模式。

1）FPGA寫(xiě)CF卡速度測(cè)試

為了測(cè)試到FPGA最大的寫(xiě)卡速度，數(shù)據(jù)由FPGA內(nèi)部產(chǎn)生，保證測(cè)試結(jié)果不受數(shù)據(jù)源速度的影響。另外CF卡的操作模式為PIO模式2，它的理論最大寫(xiě)入速度為8.33 MB/s。

在FPGA對(duì)CF卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作的時(shí)鐘頻率為100 MHz，數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)為16 bit，寫(xiě)入單個(gè)文件大小為15.625 MB情況下，通過(guò)測(cè)量連續(xù)寫(xiě)入200個(gè)相同文件大小的總字節(jié)數(shù)和消耗的總時(shí)間，計(jì)算出FPGA平均寫(xiě)卡速度。由于采用手工測(cè)試，故存在測(cè)量誤差，但誤差能夠控制在5 kB/s以?xún)?nèi)。

表1 FPGA寫(xiě)卡速度測(cè)試結(jié)果Tab.1 FPGA write speed test results

由測(cè)量結(jié)果可知：①簇的尺寸越大，其寫(xiě)入速度越快（FAT32文件系統(tǒng)中每簇最大只能為32 kB）；②在簇尺寸相同的情況下，每次寫(xiě)入簇?cái)?shù)越多，寫(xiě)卡速度越快，但并構(gòu)成線(xiàn)形關(guān)系，當(dāng)簇?cái)?shù)多到一定量時(shí)，單一增加簇?cái)?shù)對(duì)數(shù)據(jù)寫(xiě)入速度的提升不明顯。

2）USB接口讀寫(xiě)CF卡速度測(cè)試

通過(guò)計(jì)算機(jī)，選用USB傳輸速度測(cè)試軟件ATTO Disk Benchmark測(cè)試系統(tǒng)讀卡模塊。設(shè)定傳輸文件大小從0.5 kB 到8 192 kB，總長(zhǎng)度為256 MB。測(cè)試結(jié)果如圖9所示，其中實(shí)線(xiàn)為讀卡速度曲線(xiàn)，虛線(xiàn)為寫(xiě)卡速度曲線(xiàn)。在文件大于64 kB時(shí)，讀寫(xiě)卡速度均超過(guò)15 MB/s，接近讀卡模塊選用的AU6371芯片［12］提供的最優(yōu)性能。

圖9 USB接口讀寫(xiě)速度測(cè)試結(jié)果Fig.9 USB interface to read and write speed test results

4 結(jié) 論

本文給出了一種基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。方案中FPGA通過(guò)內(nèi)建的Nios II軟核實(shí)現(xiàn)對(duì)兩片CF卡的FAT32格式文件管理。依該方案實(shí)現(xiàn)的硬件系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能，且工作穩(wěn)定。

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Design of dual CF card data acquisition system based on FPGA

XIA Guang-hui1，QIN Jian-jun2，WANG Da-cheng2
（1.Unit No.93，Troop 91550，Dalian 116023，China；2.National Laboratory of Underwater Acoustic Technology，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In order to enhance design flexibility while retaining the advantages of FPGA parallel processing，an internal control system is established on the FPGA by using the NiosII soft-core.Two CF cards as the storage medium are used to achieve continuous data storage that is always ensure that a card is being written state，another card is readable or removable state；FAT32 file system is widely used by transplant to solve the problem of data management efficiently in CF card.Data in CF card can is uploaded to the computer by USB2.0 interface.The actual test results show that the system can run stability in a long time in the black box recording mode.The design is widely available in many applications that continuous recording data is required.

FPGA；Nios II；CF card；FAT32；USB

TN911.7

A

1674－6236（2016）04-0019-03

2015-02-06 稿件編號(hào)：201502062

夏光輝（1977—），男，湖南益陽(yáng)人，工程師。研究方向：水下測(cè)量技術(shù)。