1 引言
在現(xiàn)代信號處理系統(tǒng)中，多通道數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)廣泛應用于各種商用以及工業(yè)領(lǐng)域中，特別是在艦上系統(tǒng)、彈上設(shè)備及艦上部分系統(tǒng)中，往往產(chǎn)生寬帶信號或上升沿下降沿較陡的模擬信號。對這樣的模擬信號往往需要將其數(shù)字化后傳輸至計算機進行數(shù)值和頻譜分析，并給出具體的分析報告。同時，這些信號往往要對一些相關(guān)信號同時測量，相關(guān)分析得到信號間的相關(guān)信息，這就需要同步采集多通道信號，并能準確無誤存儲。現(xiàn)在絕大多數(shù)采集系統(tǒng)，只能循環(huán)采集多路信號，不能實時同步采集多通道的同一個采樣點。這樣不能滿足對多通道信號進行相關(guān)信息的分析，而多通道同步數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的實現(xiàn)恰恰彌補了傳通采集系統(tǒng)的不足之處。
2 系統(tǒng)設(shè)計方案及硬件設(shè)計
2．1 系統(tǒng)設(shè)計方案
該系統(tǒng)設(shè)計主要實現(xiàn)多通道同步數(shù)據(jù)的采集存儲。系統(tǒng)上電后，FPGA主控模塊控制采集模塊同步采集多通道數(shù)據(jù)，把采集到的數(shù)據(jù)寫到外部FIFO中。FIFO半滿后，F(xiàn)PGA讀取FIFO中的數(shù)據(jù)寫入Flash存儲器中。該設(shè)計方案選用FPGA作為主模塊，主要是考慮FPGA現(xiàn)場可編程特性，使用靈活方便，能夠降低硬件電路設(shè)計難度。
2．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
多通道同步數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括以下部分：
(1)多通道同步數(shù)據(jù)采集模塊 選用AD781采樣保持器完成多通道數(shù)據(jù)采樣保持，滿足系統(tǒng)要求。A／D轉(zhuǎn)換器選用16位的ADS8401，可提高采樣精度，有利于分析采集數(shù)據(jù)。
(2)大容量存儲模塊 采用SUMSUNG公司的K9K8G08U0M型Flash作為存儲器，使用IDT7206作為采集數(shù)據(jù)緩存。
(3)外圍電路 主要包括晶振、電壓轉(zhuǎn)換器TPS70358及輸入輸出接口等。
其中，系統(tǒng)采集的重點是實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的同步實時采集，其主要邏輯由FPGA主控模塊控制。存儲模塊中所采用的壞塊檢測技術(shù)，可提高Flash存儲的可靠性。
3 多通道同步數(shù)據(jù)的采集
在執(zhí)行多通道同步數(shù)據(jù)采集時，其電路如圖2所示。其主要工作流程：多路模擬信號經(jīng)運放調(diào)理電路后進入采樣保持器。在每個周期的開始，F(xiàn)PGA通過編程輸出脈沖至采樣保持器(AD781)和模擬電子開關(guān)(ADG706)，也就是使用采樣保持器的S/H控制信號進行多路同步采樣(S/H=1)和保持(S/H=0)，同時控制模擬開關(guān)的A0～A3 4個選通信號，來選通相應通道。選通后的信號同時由FPGA的控制進入A／D轉(zhuǎn)換器(ADS8401)采集單路16 bit量化，最后將采集到的數(shù)據(jù)寫到外部FIFO緩存器中。也就是說，F(xiàn)PGA通過編程定時邏輯送出脈沖至采樣保持器對模擬輸入采樣，然后選擇一個通道的模擬輸入，完成A/D轉(zhuǎn)換?？傊瓼PGA提供采樣保持、多路選通和A／D轉(zhuǎn)換電路模塊所需的各種狀態(tài)和控制時序邏輯。
多通道同步數(shù)據(jù)采集模塊的程序主要采用Verilog HDL語言，Verilog HDL是用于邏輯設(shè)計的硬件描述語言，并且已成為IEEE標準。FPGA重點控制Verilog HDL程序算法的實現(xiàn)。程序主要包括采樣率計數(shù)循環(huán)控制、各路模擬開關(guān)選通的設(shè)計，幀計數(shù)以及幀標志的循環(huán)控制。采樣保持器采樣保持一次，經(jīng)模擬開關(guān)計數(shù)循環(huán)控制，模擬開關(guān)依次選通。選通后的單路信號進行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫入外部FIFO中?？紤]到事后數(shù)據(jù)處理等問題，所采集的數(shù)據(jù)以一定的幀格式寫入FIFO中，每一幀數(shù)據(jù)有幀計數(shù)和幀標志。每一幀的長度以及幀標志的選擇，可以根據(jù)需要靈活選定。
4 多通道同步數(shù)據(jù)的存儲
根據(jù)系統(tǒng)要求，需采用SUMSUNG公司的K9K8G08U0M型Flash作為存儲器。由于1 G的Flash出廠時帶有一些初始化無效塊(包含一個或多個壞位的存儲塊)，它被定義為包含一個或多個無效位的存儲塊，制造商不能保證這些無效塊具有可靠性。由于NAND型Flash存儲容量較大，難免在使用過程中出現(xiàn)存儲單元的損壞。為保證寫入數(shù)據(jù)的可靠性，為系統(tǒng)提供真實準確的參數(shù)，該系統(tǒng)存儲模塊采用的關(guān)鍵技術(shù)是Flash的壞塊檢測技術(shù)。系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA主控模塊首先對Flash進行擦除操作。在擦除過程中，對每塊壞塊標志位進行檢測，對使用過程中又出現(xiàn)的壞塊進行標識，以便以后使用。擦除模塊具體程序流程如圖3所示。
多通道同步數(shù)據(jù)采集后，數(shù)據(jù)以一定的幀格式寫入Flash。在Flash執(zhí)行寫操作時，首先檢測每塊的壞塊標志。如果壞塊標志是非0XFF時，該塊是壞塊則跳過，繼續(xù)檢測下一塊：如果壞塊標志是0XFF時，則讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，寫入Flash中。在對Flash執(zhí)行寫操作時，嚴格按照Flash的時序控制要求，以保證數(shù)據(jù)的準確寫入。
系統(tǒng)中在擦除過程中對壞塊進行檢測或標識，在數(shù)據(jù)寫入時再讀取標志進行寫操作，這樣能夠滿足系統(tǒng)采集速度要求。如果使用的Flash容量更大并且要求速度較快，這樣的操作有可能不能滿足系統(tǒng)要求。這時可以在擦除過程中，對壞塊的位置進行標識并建立壞塊表并隨時更新。在對Flash進行寫操作時，無需先讀取壞塊位置的標識。只需對壞塊表使用算法進行遍歷即可，這樣可節(jié)約對Flash進行讀操作的時間，提高系統(tǒng)存儲速度。
5 結(jié)論
詳細介紹系統(tǒng)組成，其創(chuàng)新點在于采集模塊的多通道同步性以及存儲模塊Flash的壞塊檢測技術(shù)。該系統(tǒng)已成功用于作戰(zhàn)戰(zhàn)場聲目標識別系統(tǒng)中，對于其他方面的應用，此設(shè)計思想具有較強的借鑒意義。