基于AVR和CPLD編程的高速數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　對于一個成型的探測系統(tǒng)而言，通常都是有采集儲存部分的，無論是電信號、光信號、聲音信號、磁信號等在被探測器接收到后大部分都需要轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳給處理器才能完成分析、判斷的過程。對于需要高速采集并存儲的系統(tǒng)，在基于CPLD、AVR等控制高速ADC、儲存等技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)低成本、高速采集存儲的硬件實(shí)現(xiàn)。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)利用ATmegal62作為主控制器，CPLD用于產(chǎn)生控制時序，二者相結(jié)合協(xié)調(diào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸控制。圖1給出其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案框圖。

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理是：模擬量信號經(jīng)過傳感器后轉(zhuǎn)化成電壓量，通過ADC將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而后進(jìn)行傳輸存儲和處理。在本系統(tǒng)中，在CPLD和AVR的控制下，將采集到的模擬信號經(jīng)過A/D器件轉(zhuǎn)換之后，轉(zhuǎn)換結(jié)果先緩存到FIFO，再轉(zhuǎn)存到非易失性Flash陣列中，其中FIFO不但可以實(shí)現(xiàn)緩存功能，還可以解決A/D轉(zhuǎn)換之后數(shù)據(jù)位數(shù)跟Flash存儲器的數(shù)據(jù)線位數(shù)不匹配的矛盾。

　　1.1 采集部分

　　本系統(tǒng)應(yīng)用的A/D轉(zhuǎn)換器是MAXl308，它具有8通道可編程配置，可接收數(shù)字輸入分別激活每一路通道;100 ps通道間T/H匹配;轉(zhuǎn)換時間為0.72(單通道)，0.9(2通道)，1.26(4通道)，1.98μs(8通道);吞吐率為1 075(單通道)，90(2通道)，680(4通道)，456千次/秒(8通道)。其他特性包括20 MHz T/H輸入帶寬、并具有內(nèi)部時鐘、內(nèi)部(+2.5 V)或外部(+2.0～+3.O V)基準(zhǔn)，以及低功耗省電模式。

　　1.2 控制與存儲部分

　　如圖2所示是4個Flash模塊組采用流水線(pipeline)操作，使用該方式可以克服Flash寫入速度較慢的缺點(diǎn)。Flash存儲器的寫入有2個階段：數(shù)據(jù)加載階段(通過I/0端口將數(shù)據(jù)寫入頁寄存器)和編程階段(在芯片內(nèi)部，將頁寄存器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯卧?。由于編程階段是自動進(jìn)行的，不需要外部系統(tǒng)的干預(yù)，控制器可以進(jìn)行其他事務(wù)的處理，如有效塊地址的運(yùn)算等，從而節(jié)省系統(tǒng)開銷。NAND型Flash存儲器的寫操作以流水線方式進(jìn)行，首先加載第1個Flash模塊組，數(shù)據(jù)加載完后，第1個模塊組進(jìn)入自動編程階段：再加載第2個Flash模塊組，數(shù)據(jù)加載完后，第2個模塊組進(jìn)入自動編程階段;然后依次對第3個乃至第4個模塊組進(jìn)行操作，當(dāng)?shù)?個模塊組數(shù)據(jù)加載完后，第1個存儲模塊組已經(jīng)自動編程結(jié)束，接著再加載和自動編程形成流水線的工作方式。從整個系統(tǒng)總體效果來看，它一直在進(jìn)行存儲加載數(shù)據(jù)。

　　2 程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　編程實(shí)現(xiàn)采集部分的功能，采集部分時序圖如圖3所示。任意選擇兩條通道進(jìn)行內(nèi)部時鐘分析，圖中為第3通道和第7通道，當(dāng)控制信號產(chǎn)生低電平時，控制引腳起作用，觸發(fā)采集功能，同時EOC引腳電平至低。在tCTR段時間后讀信號被啟動經(jīng)過tACC的時間后，12位數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在DO-D11引腳上。在整個采集、存儲過程中其他通道和通道3、通道7一樣，隨后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩存器中。

　　2.1 控制A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

　　根據(jù)控制存儲的要求，首先要設(shè)計(jì)控制A/D轉(zhuǎn)換的狀態(tài)機(jī)，用來確定A/D轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，根據(jù)MAXl308工作時序特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的控制A/D轉(zhuǎn)換的狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。實(shí)現(xiàn)控制A/D轉(zhuǎn)換的狀態(tài)機(jī)部分主要VHDL程序源代碼如下：

　　將程序下載至CPLD中運(yùn)行調(diào)試，經(jīng)過對電路的調(diào)試和測量，控制8通道A/D同時轉(zhuǎn)換的狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生的示波器時序波形如圖5所示，其中，0、1、2、3、4分別對應(yīng)的是圖3中的CONVST、EOC、EOLC、CS、RD，而第5通道是對FIF0的寫信號。從示波器顯示的波形圖可以看出產(chǎn)生的8個連續(xù)的脈沖對應(yīng)位置完全滿足圖3所要求的時序要求，也就是說在控制器同時控制8路信號的采集時不會出現(xiàn)時序混亂的情況。由此可知，采用本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的采集程序可以實(shí)現(xiàn)同時采集的要求，并且根據(jù)采集的脈沖寬度分析可知該系統(tǒng)能滿足采集速度為10 Mb/s的設(shè)計(jì)要求。

　　2.2 控制Flash存儲程序設(shè)計(jì)

　　4個Flash存儲器的流水線工作原理如圖2所示，對單獨(dú)的每一片F(xiàn)lash來說每一次存儲都是在上一次存儲過程中加載完成后進(jìn)行，而對于由4片F(xiàn)lash存儲器組成的整個系統(tǒng)，它一直在加載存儲數(shù)據(jù)，這樣可以保證存儲速度大于采集速度，從而保證存儲過程中不會因單片F(xiàn)lash存儲速度慢而造成丟失數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)Flash存儲的主要程序：

　　在數(shù)據(jù)加載期間本系統(tǒng)應(yīng)采用DMA傳輸控制方式，即：每當(dāng)FIF0的半滿標(biāo)志信號HF產(chǎn)生一次有效電平時，ATmegal62就啟動一次中斷，在中斷程序中，ATmegal62將產(chǎn)生NAND Flash命令和有效地址，以及啟動DMA控制器。一旦DMA控制器啟動，ATmegal62就將轉(zhuǎn)入后臺進(jìn)行有效地址的運(yùn)算等，從而參與數(shù)據(jù)傳輸過程，整個數(shù)據(jù)從FIFO到Flash存儲器的傳輸過程是由CPLD內(nèi)部編寫的DMA控制器控制完成。啟動一次DMA控制器傳輸一頁2048個字節(jié)的數(shù)據(jù)，一次中斷完成16 K字節(jié)的傳輸。其示波器時序如圖6所示：第0，1，2，3通道是FIF0的讀數(shù)據(jù)時序波形，第4通道是Flash的寫通道時序波形。

　　3 結(jié)論

　　通過使用AVR和CPLD編程，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種成本低且可實(shí)現(xiàn)10 Mb/s以上并行采集數(shù)據(jù)率的高速數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)。在分析MAXl308特性及轉(zhuǎn)換時序的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)完成了A/D轉(zhuǎn)換器及其外圍電路，并通過調(diào)試可知時序穩(wěn)定。通過VHDL語言實(shí)現(xiàn)了采集模塊、控制與存儲模塊和Flash存儲功能。在完成硬件連接后調(diào)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)低成本高速采集，多路同時采集速度大于10 Mb/s采集系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用價值。