基于FPGA和NAND Flash的便攜式高速信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案介紹

0 引言

隨著現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和科技水平的高速發(fā)展，信號(hào)采集技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛［1］。與此同時(shí)，對(duì)信號(hào)采集系統(tǒng)的采集精度、采樣率以及便攜性等設(shè)計(jì)需求提出了更高的要求?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）具有邏輯門(mén)充足、時(shí)鐘頻率高、速度快、效率高和IP核豐富等特點(diǎn)，使其成為高速信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)有效手段［2-3］。針對(duì)當(dāng)前信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，本文主要介紹如何提高信號(hào)采集系統(tǒng)的采樣率和便攜性。

目前，信號(hào)便攜式信號(hào)采集系統(tǒng)采樣率低主要受限于信號(hào)采集系統(tǒng)的傳輸速度和處理速度不足。查閱近幾年的相關(guān)文獻(xiàn)，基于FPGA的信號(hào)采集系統(tǒng)主要有以下兩種設(shè)計(jì)方案：方案一，采用FPGA作為邏輯控制模塊，搭配ADC采集模塊和USB2.0傳輸模塊［4］；方案二，同樣采用FPGA作為邏輯控制模塊，搭配DDR2/DDR3模塊對(duì)ADC模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速緩存［5-6］。方案一受限于USB的傳輸速度其采樣率較低［7-8］；方案二雖然可以達(dá)到較高的采樣率，但是具有數(shù)據(jù)易失、存儲(chǔ)容量小的問(wèn)題，便攜性不足［9］。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文結(jié)合目前NAND Flash高速存儲(chǔ)的特性，提出了便攜式高速信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于利用存儲(chǔ)芯片寫(xiě)入速度快、數(shù)據(jù)總線可復(fù)用等特點(diǎn)，使ADC采集到的信號(hào)采用DMA方式存入存儲(chǔ)芯片中。其次，該設(shè)計(jì)配置LCD顯示屏，用于信號(hào)的實(shí)地查看，減少了上位機(jī)的配置。系統(tǒng)滿足長(zhǎng)時(shí)間、多批次的信號(hào)采集。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)功能和原理，該系統(tǒng)分為4個(gè)模塊：基于FPGA芯片的邏輯控制模塊、以ADC芯片為主的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、以NAND_Flash芯片為核心的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及LCD觸摸顯示屏模塊，如圖1所示。

系統(tǒng)基本工作原理：首先，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊在接收到模擬信號(hào)后，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送到FPGA邏輯控制模塊中的FIFO中；其次，F(xiàn)PGA邏輯控制模塊采用直接存儲(chǔ)器存儲(chǔ)（Direct Memory Access，DMA）模式將數(shù)據(jù)從FIFO中傳遞到NAND_Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；然后，NAND_Flash模塊結(jié)合其相應(yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以同步的方式進(jìn)行高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；最后，將由LCD模塊發(fā)送相應(yīng)的指令，以一定速度讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)FPGA進(jìn)行一定的信號(hào)處理，在LCD顯示屏中顯示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 FPGA邏輯控制模塊

FPGA邏輯控制模塊由ALTERA公司的EP4CE40F29C8N、EPCS64SI16以及海力士公司的H27U1G8F2B芯片組成。其中EP4CE40F29C8N為Cyclone IV系列FPGA芯片，該芯片最大時(shí)鐘頻率為472 MHz，具有533個(gè)IO接口，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的最大時(shí)鐘頻率以及外設(shè)連接接口。邏輯控制模塊由頂層設(shè)計(jì)部分、系統(tǒng)時(shí)鐘與復(fù)位部分、采集控制部分、存儲(chǔ)控制部分、LCD顯示控制部分以及NISO II部分構(gòu)成，其中頂層設(shè)計(jì)部分負(fù)責(zé)各個(gè)部分的連接以及邏輯控制模塊與其他模塊的接口。FPGA頂層原理圖如圖2所示。

在系統(tǒng)時(shí)鐘與復(fù)位部分，由FPGA芯片系統(tǒng)時(shí)鐘接口通過(guò)連接25 MHz無(wú)源晶振獲得25 MHz時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)“PLL”IP核將25 MHz時(shí)鐘信號(hào)倍頻為33 MHz、50 MHz、100 MHz以及200 MHz，以此作為系統(tǒng)的時(shí)鐘電路。其次，產(chǎn)生異步復(fù)位同步釋放的系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。

LCD顯示控制部分由波形模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、LCD顯示驅(qū)動(dòng)模塊和觸摸屏指令接收模塊組成。該部分提供接口將QSYS中的顯示數(shù)據(jù)輸出到DDR2緩存模塊中；并為DDR2芯片和LCD顯示芯片建立DMA通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的輸出。

通過(guò)QSYS系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)工具建立NIOS II片上嵌入式處理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)信號(hào)采集系統(tǒng)指令接收和程序執(zhí)行控制。NIOS II系統(tǒng)完成以下工作：（1）系統(tǒng)初始化程序執(zhí)行，監(jiān)聽(tīng)LCD指令輸入；（2）實(shí)現(xiàn)配置Flash芯片（H27U1G8F2B）的讀寫(xiě)操作，配置Flash芯片中存放顯示模塊中的背景圖片、字體庫(kù)以及采集過(guò)程中采集批次編號(hào)和采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的起止位置信息；（3）實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)讀取操作，并將采集的信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為波形顯示數(shù)據(jù)；（4）負(fù)責(zé)系統(tǒng)各個(gè)外設(shè)驅(qū)動(dòng)指令的輸出。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用AD9226作為轉(zhuǎn)換芯片，該芯片是一款低功耗（475 mW）、高精度（12 bit）的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其最高轉(zhuǎn)換速率為65 MSPS，并且具有良好的信噪比（70 dB）。本設(shè)計(jì)中，信號(hào)輸入范圍為1 V~3 V。該模塊的采樣時(shí)鐘由FPGA邏輯模塊提供，以達(dá)到對(duì)采樣率的控制，本文中所有測(cè)試內(nèi)容中采樣率均為50 MHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路圖如圖3所示。

2.3 高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

為了匹配高速采樣率，高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選取SLC顆粒的NAND Flash芯片［10］。本設(shè)計(jì)選擇Micron公司的MT29F256G08AUCABH3芯片，該芯片在同步狀態(tài)下，引腳讀寫(xiě)速度可以達(dá)到200 MT/s，并且在數(shù)據(jù)寫(xiě)入過(guò)程中采用DDR模式，即在時(shí)鐘的上升沿和下升沿均有數(shù)據(jù)寫(xiě)入。通過(guò)對(duì)其數(shù)據(jù)手冊(cè)的分析，由于NAND Flash需要進(jìn)行PROGRAM PAGE 操作，因此該芯片寫(xiě)入1頁(yè)數(shù)據(jù)（8 KB）大約需要400 μs。在該時(shí)間段內(nèi)，AD信號(hào)采集模塊采集數(shù)據(jù)4×104 B，遠(yuǎn)大于NAND Flash存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，無(wú)法滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求?？紤]到NAND Flash芯片在同步寫(xiě)入過(guò)程中加載8 KB數(shù)據(jù)需要40.96 μs，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集8 KB數(shù)據(jù)需要81.92 μs。影響系統(tǒng)存儲(chǔ)時(shí)間的主要因素是NAND Flash的編程時(shí)間（350 μs）。

針對(duì)這一問(wèn)題，本設(shè)計(jì)結(jié)合MT29F256G08AUCABH3的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如圖4所示。該芯片內(nèi)部具有8個(gè)LUN結(jié)構(gòu)，且當(dāng)一個(gè)LUN處于編程狀態(tài)時(shí)，其他LUN可以進(jìn)行讀寫(xiě)以及編程。根據(jù)這一特性，本設(shè)計(jì)將其內(nèi)部的8個(gè)LUN芯片采用流水線方式排列，依次進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)操作，如圖5所示。當(dāng)采集數(shù)據(jù)達(dá)到8 KB，處于寫(xiě)準(zhǔn)備狀態(tài)的LUN開(kāi)始以DDR方式進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入。完成1頁(yè)數(shù)據(jù)（8 KB）的寫(xiě)入后，后一LUN進(jìn)入寫(xiě)準(zhǔn)備狀態(tài)，等待未存儲(chǔ)數(shù)據(jù)再次達(dá)到8 KB。以此方式進(jìn)行循環(huán)，當(dāng)?shù)?個(gè)LUN完成寫(xiě)操作時(shí)，第一個(gè)LUN完成編程過(guò)程，處于空閑狀態(tài)可以進(jìn)行寫(xiě)操作，圖5所示為存儲(chǔ)芯片流水線工作模式。

2.4 顯示模塊

在系統(tǒng)的顯示模塊，選用一款具有800×480分辨率和數(shù)字接口驅(qū)動(dòng)的7英寸LCD液晶顯示屏。顯示屏的輸出色彩信號(hào)通過(guò)565的RGB并口數(shù)字信號(hào)傳輸，搭配容量為512 MB的DDR2 SDRAM芯片用于緩存顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)顯示模塊的時(shí)鐘頻率為33 MHz。

除顯示功能外，該模塊同時(shí)肩負(fù)人機(jī)交互功能。利用觸摸屏的特性，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作控制，減少鍵盤(pán)模塊，使操作更加簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)采用電阻式觸摸屏，屏幕的x軸和y軸各有兩條信號(hào)線連接到觸摸屏專(zhuān)用AD芯片上（本設(shè)計(jì)選擇AW2083芯片），每次按觸摸屏?xí)r，會(huì)在對(duì)應(yīng)的x軸和y軸產(chǎn)生一個(gè)阻值。在兩條坐標(biāo)軸的正負(fù)極之間加參考電壓，當(dāng)其中一條坐標(biāo)軸的某一位置被觸按，則這個(gè)位置和對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸的正負(fù)極之間的電阻會(huì)通過(guò)電壓的形式反饋給ADC的輸入端，產(chǎn)生12 bit的AD量化值，AD芯片采集到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與實(shí)際坐標(biāo)值成正比，且為線性關(guān)系。圖6所示為y軸坐標(biāo)測(cè)量等效電路圖。

3 系統(tǒng)程序邏輯設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作。FPGA讀取配置NAND Flash芯片中系統(tǒng)的配置信息。獲取顯示模塊的初始化界面并進(jìn)行輸出和顯示，同時(shí)從配置芯片中獲取存儲(chǔ)模塊下一存儲(chǔ)地址。系統(tǒng)初始化完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，并監(jiān)聽(tīng)LCD顯示模塊的指令輸入。

3.1 信號(hào)采集流程

通過(guò)點(diǎn)擊LCD模塊中的“開(kāi)始采集”按鈕，觸發(fā)信號(hào)采集程序。邏輯控制模塊監(jiān)聽(tīng)到信號(hào)采集開(kāi)始指令，系統(tǒng)進(jìn)入信號(hào)采集流程。

信號(hào)采集流程：

（1）高速存儲(chǔ)模塊初始化，對(duì)上一批次結(jié)束的所在LUN的下一個(gè)LUN進(jìn)行存儲(chǔ)狀態(tài)激活。

（2）邏輯控制模塊發(fā)送模式轉(zhuǎn)換模塊使能信號(hào)，同時(shí)向模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸入50 MHz時(shí)鐘信號(hào)。

（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊開(kāi)始工作，將輸入的模擬信號(hào)以50 MS/s的轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)換為12 bit的數(shù)字信號(hào)，并輸出到邏輯控制模塊。

（4）邏輯控制模塊接收到12 bit后，將其左移4位與當(dāng)前采集批次的4 bit二進(jìn)制值相加產(chǎn)生一個(gè)16 bit存入FIFO中。FIFO設(shè)置為輸入信號(hào)16 bit，頻率50 MHz；輸出信號(hào)為8 bit，輸出信號(hào)頻率為400 MHz；深度為4 096 words。

（5）當(dāng)FIFO狀態(tài)為“FULL”時(shí)，邏輯控制模塊向高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊發(fā)生寫(xiě)指令，向FIFO發(fā)送讀指令，系統(tǒng)開(kāi)始以DMA的方式將數(shù)據(jù)從FIFO中發(fā)送到高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

（6）當(dāng)完成page數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)后，邏輯控制模塊關(guān)閉FIFO讀使能。高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊激活下一個(gè)LUN的存儲(chǔ)狀態(tài)，重復(fù)步驟（5）～（6）。信號(hào)采集流程圖如圖7所示。

3.2 信號(hào)采集停止流程

LCD顯示模塊中的“采集停止”按鈕被觸發(fā)，邏輯控制模塊等待數(shù)據(jù)采集流程中步驟（6）執(zhí)行時(shí)，關(guān)閉高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊使能，將當(dāng)前采集批次編號(hào)和對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的起止位置存入配置信息存儲(chǔ)Flash中。系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，監(jiān)聽(tīng)LCD顯示模塊的指令輸入，同時(shí)LCD顯示模塊初始化界面。

3.3 波形顯示流程

LCD波形顯示按鈕觸發(fā)后，界面切換到采集批次選擇界面，通過(guò)點(diǎn)擊選擇對(duì)應(yīng)批次的波形顯示，進(jìn)入波形顯示操作流程。

波形顯示流程：

（1）邏輯控制模塊從配置Flash中讀取相應(yīng)批次數(shù)據(jù)采集的存儲(chǔ)起止位置。

（2）讀取高速存儲(chǔ)模塊中對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，寫(xiě)入波形控制IP核中。波形控制模塊負(fù)責(zé)控制LCD波形窗口控制，并將采集數(shù)據(jù)值鎖存到雙口RAM中，同時(shí)負(fù)責(zé)輸出波形點(diǎn)顯示坐標(biāo)位置和波形顯示時(shí)鐘頻率。

（3）將波形控制模塊中的數(shù)據(jù)輸入到LCD顯示模塊中的DDR2芯片中。

（4）LCD顯示屏中，讀取DDR2中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示。

（5）當(dāng)對(duì)應(yīng)批次的所有數(shù)據(jù)讀取完畢后，波形顯示流程結(jié)束。

3.4 高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制流程

高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制程序主要分為采集數(shù)據(jù)寫(xiě)流程和顯示數(shù)據(jù)讀流程。本設(shè)計(jì)中，采集數(shù)據(jù)寫(xiě)流程采用同步寫(xiě)入方式，工作頻率為200 MHz；顯示數(shù)據(jù)讀流程采用異步讀取方式，工作頻率為50 MHz。

（1）高速數(shù)據(jù)寫(xiě)流程：①NAND Flash芯片激活同步讀寫(xiě)狀態(tài)；②從邏輯控制模塊獲取寫(xiě)入頁(yè)地址；③向NAND Flash發(fā)送寫(xiě)操作命令；④向NAND Flash寫(xiě)入寫(xiě)操作地址；⑤NAND Flash等待數(shù)據(jù)寫(xiě)入使能；⑥接收到邏輯控制模塊發(fā)送的寫(xiě)使能，開(kāi)始寫(xiě)入數(shù)據(jù)；⑦當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)滿一頁(yè)時(shí)，該LUN進(jìn)入編程狀態(tài)，同時(shí)從邏輯控制模塊獲取下一個(gè)LUN的存儲(chǔ)地址，重復(fù)步驟③～⑦。

（2）高速數(shù)據(jù)讀流程：①NAND Flash芯片激活異步讀寫(xiě)狀態(tài)；②從邏輯控制模塊獲取讀取頁(yè)地址；③向NAND Flash芯片發(fā)送讀操作命令；④向NAND Flash寫(xiě)入多操作操作地址；⑤讀取NAND Flash數(shù)據(jù)發(fā)送到邏輯控制模塊中；⑥當(dāng)數(shù)據(jù)讀完一頁(yè)后，重復(fù)步驟②～⑥。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

測(cè)試平臺(tái)由超聲發(fā)射電路、超聲接收電路、超聲探頭和有焊縫的金屬薄板構(gòu)成。超聲探頭發(fā)射2.5 MHz的超聲信號(hào)到金屬薄板。當(dāng)超聲信號(hào)到達(dá)焊縫部位時(shí)，信號(hào)發(fā)生部分或全部反射，產(chǎn)生回波信號(hào)。信號(hào)采集系統(tǒng)通過(guò)超聲接收電路采集回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)邏輯控制模塊處理后，寫(xiě)入存儲(chǔ)模塊。同時(shí)，經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)通過(guò)LCD顯示屏進(jìn)行顯示。圖8為信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)輸出波形。對(duì)比兩個(gè)波形發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能夠以50 MHz的采樣率進(jìn)行良好的采樣。圖9和圖10為連續(xù)采樣數(shù)據(jù)波形輸出，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)多批次信號(hào)采集。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)AD9226高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)FPGA存儲(chǔ)到大容量NAND Flash中，并在LCD顯示屏中顯示波形。在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的多批次高速信號(hào)采集，并具有小型化、易于攜帶的特點(diǎn)。

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