高速信號(hào)采集記錄儀設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)高速信號(hào)實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)的需求，設(shè)計(jì)了一種高速信號(hào)采集記錄儀。記錄儀通過(guò)高速A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，并實(shí)時(shí)存入NAND FLASH存儲(chǔ)陣列中。為提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率，綜合采用并行總線、交錯(cuò)雙平面頁(yè)編程、多級(jí)流水線等技術(shù)，大幅提升FLASH的寫(xiě)入速度。記錄儀可實(shí)現(xiàn)8bit、200MSPS的采樣速率，并可將速率為200MB/s的采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高速采樣;高速存儲(chǔ);NANDFLASH

0 引言

目前在各工業(yè)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的需求越來(lái)越多，對(duì)采集速率和存儲(chǔ)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(duì)高速信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器之中，以便事后分析處理。

為滿足需求，本文提出一種高速信號(hào)采集記錄儀的設(shè)計(jì)方法。采用高速A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行200MSPS的高速采樣，然后將采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入 FLASH存儲(chǔ)陣列中。綜合采用了并行總線、交錯(cuò)雙平面頁(yè)編程、多級(jí)流水線等技術(shù)，大幅提升FLASH的寫(xiě)入速度，從而實(shí)現(xiàn)200MB/s采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)記錄。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 記錄儀系統(tǒng)組成

圖1為記錄儀系統(tǒng)組成框圖，記錄儀電路系統(tǒng)主要由FPGA電路、時(shí)鐘電路、高速采集電路、高速存儲(chǔ)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(zhuǎn)換器選用TI公司ADS5547，NAND FLASH存儲(chǔ)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(tǒng)的工作原理為：上電后，F(xiàn)PGA首先讀取NOR FLASH中存儲(chǔ)的NAND FLASH壞塊信息，在內(nèi)部RAM中建立壞塊表，之后每次需要對(duì)NAND FLASH進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前，都要先查詢壞塊表，若準(zhǔn)備操作的塊為壞塊，則跳到下一塊繼續(xù)查詢，直到找到好塊才進(jìn)行操作。

當(dāng)需要采集記錄信號(hào)時(shí)，先通過(guò)外接的鍵盤和LCD顯示模塊設(shè)置采樣參數(shù)。然后記錄儀接收到啟動(dòng)信號(hào)后開(kāi)始進(jìn)行采樣記錄，需采樣信號(hào)從SMA接口輸入后經(jīng)過(guò)差分放大器轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，然后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行200MSPS采樣，F(xiàn)PGA接收采樣數(shù)據(jù)，采樣4級(jí)流水線對(duì)NAND FLASH存儲(chǔ)陣列進(jìn)行寫(xiě)入操作。此外FPGA還需完成對(duì)其他外圍器件的控制。

當(dāng)需要上傳數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA將數(shù)據(jù)從NAND FLASH中讀出，通過(guò)USB控制芯片將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高速A/D采樣

記錄儀采用的A/D轉(zhuǎn)換器為TI公司的14bit、210MSPS的高速A/D芯片ADS5547。系統(tǒng)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(zhǎng)VDS DDR模式，即在A/D輸出時(shí)鐘的下降沿傳輸采樣數(shù)據(jù)的奇位，在上升沿傳輸采樣數(shù)據(jù)的偶位，所以實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸頻率為400MHz，對(duì)于這種高速數(shù)據(jù)傳輸，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)需注意7對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)線和1對(duì)差分時(shí)鐘線保持等長(zhǎng)，確保跡線傳輸延時(shí)相同。

在FPGA數(shù)據(jù)接收模塊的設(shè)計(jì)中，直接調(diào)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(shù)據(jù)輸出時(shí)序，所以可將7路DDR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為14bit并行數(shù)據(jù)，考慮到NAND FLASH的寫(xiě)入速度，在存儲(chǔ)時(shí)截取采樣數(shù)據(jù)的高8位，這樣需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的速率為200MR/s。

2.2 高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

記錄儀采用的非易失存儲(chǔ)器為三星公司的NANDFLASH芯片K9WAG8U1A，單片容量為2GB。由于單片F(xiàn)LASH的存儲(chǔ)容量和寫(xiě)入速度有限，所以使用了16片F(xiàn)LASH成存儲(chǔ)陣列，總?cè)萘繛?2GB，并綜合采用了并行總線、交錯(cuò)雙平面頁(yè)編程、多級(jí)流水線等技術(shù)提升寫(xiě)入速度。

(1)并行總線

為了提升數(shù)據(jù)吞吐量，將N片F(xiàn)LASH芯片的I/O并行操作，總線寬度增加為單片的N倍，并共用讀寫(xiě)控制線，這樣可將N片F(xiàn)LASH當(dāng)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F(xiàn)LASH的I/O并行操作，每片F(xiàn)LASH的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寫(xiě)入周期只需達(dá)到40ns即可實(shí)現(xiàn)200MB/s的數(shù)據(jù)速率，滿足FLASH的25ns最小寫(xiě)入周期要求。

(2)交錯(cuò)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，稱為頁(yè)編程操作，分為兩階段進(jìn)行。第一階段為數(shù)據(jù)載入階段，是將數(shù)據(jù)先寫(xiě)入到頁(yè)寄存器中，第二階段為編程階段，是將數(shù)據(jù)從頁(yè)寄存器中真正編程到FLASH的存儲(chǔ)單元之中。數(shù)據(jù)載入頁(yè)寄存器時(shí)最高速率可達(dá)到40MB/s(單片)，但數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的載入會(huì)嚴(yán)重降低數(shù)據(jù)寫(xiě)入速率。為充分利用編程階段的時(shí)間，并且增加數(shù)據(jù)載入時(shí)間以便于流水線操作，采用了交錯(cuò)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(chǔ)平面組成，每個(gè)存儲(chǔ)平面有獨(dú)立的2112字節(jié)頁(yè)寄存器，因此可實(shí)現(xiàn)雙平面頁(yè)編程操作，而2片 K9F4G08U0A之間可以實(shí)現(xiàn)交替操作。K9K8G08U0A存儲(chǔ)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(dāng)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(shù)據(jù)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(jié)束，直接對(duì)Plane2和Plane3繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)載入，即可實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)雙平面頁(yè)編程。操作時(shí)序如圖4所示。

(3)多級(jí)流水線

運(yùn)用交錯(cuò)雙平面頁(yè)編程方式后，可以連續(xù)進(jìn)行4頁(yè)的數(shù)據(jù)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(xù)進(jìn)行操作。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)載入，采用了多級(jí)流水線技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)流水線操作首先要對(duì)FLASH存儲(chǔ)陣列進(jìn)行分組。由于每片F(xiàn)LASH是由2片K9K8G08U0A組成，所以存儲(chǔ)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(chǔ)陣列分為四組，如圖5所示。

流水線操作方法如圖6所示。FLASH進(jìn)行寫(xiě)入時(shí)，首先通過(guò)片選信號(hào)選中第1組FLASH，進(jìn)行數(shù)據(jù)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(hào)，選中第2組FLASH，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)載入，依此類推。由于采用了交錯(cuò)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(shù)據(jù)，而采用并行總線之后，位寬為64bit，即每個(gè)寫(xiě)周期可寫(xiě)入8Bytes的數(shù)據(jù)，按照200MB/s的數(shù)據(jù)速率計(jì)算，每個(gè)載入階段的時(shí)間為：

當(dāng)?shù)?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(zhǎng)編程時(shí)間700μs，所以第1組可繼續(xù)開(kāi)始數(shù)據(jù)載入操作。通過(guò)流水線操作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的連續(xù)載入，從而大幅提高了寫(xiě)入速度，實(shí)現(xiàn)了200MB/s的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證記錄儀的性能，進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生周期為100ns的正弦信號(hào)輸入記錄儀，記錄儀對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)，采集時(shí)間為 5s，即產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為1GB。采集完成后，在上位機(jī)軟件中發(fā)出上傳指令讀取FLASH中的數(shù)據(jù)，并通過(guò)USB接口上傳到上位機(jī)形成二進(jìn)制數(shù)據(jù)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(hào)的每個(gè)周期對(duì)應(yīng)20個(gè)點(diǎn)，而采樣周期為5ns，所以20個(gè)點(diǎn)為100ns，與設(shè)置的信號(hào)周期相一致，說(shuō)明記錄儀實(shí)現(xiàn)了200MSPS的采樣速率和200MB/s的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種高速信號(hào)采集記錄儀，該記錄儀可 實(shí)現(xiàn)8bit，200MSPS的采樣率，并可對(duì)采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。其電路系統(tǒng)可由單板實(shí)現(xiàn)，具有體積小，便于攜帶和應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。該記錄儀適用于各種需要高速信號(hào)采集的場(chǎng)合，應(yīng)用前景廣泛。