0 引言

　　近年來,，隨著航天航空事業(yè)的不斷進(jìn)步,，新型的航天產(chǎn)品(如新一代航天器、運(yùn)載火箭,、衛(wèi)星及航天飛機(jī)等)已逐漸問世并向著自動化,、智能化的方向發(fā)展,，其系統(tǒng)構(gòu)成也變得多元化，對于研究和探索這些先進(jìn)的技術(shù)所需要采集的參數(shù)不斷增加,，因而對于數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的存儲容量,、速度、質(zhì)量,、便攜性及抗沖擊能力的要求也在不斷提高[1],。高速數(shù)據(jù)存儲設(shè)備不僅在航天產(chǎn)品中扮演重要的角色，在民用航空飛機(jī)上也是必不可少的一部分,，如飛行數(shù)據(jù)記錄器等[2],。

　　為了滿足飛行數(shù)據(jù)記錄器的高速數(shù)據(jù)存儲需求，本文采用FPGA與DSPIC30F6014A單片機(jī)相結(jié)合的方式對數(shù)據(jù)記錄器進(jìn)行了設(shè)計,。這種記錄器既充分發(fā)揮了FPGA并行讀寫大容量Flash數(shù)據(jù)的能力,，也充分利用了DSP-IC30F6014A單片機(jī)的單指令周期和并口讀寫方式等優(yōu)越性能，通過結(jié)合高速文件管理芯片CH378和大容量Flash芯片,，從而實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的高速U盤存儲功能,。這種設(shè)計方法可以有效地提高U盤讀寫數(shù)據(jù)的速度，避免了數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象,，并減小了設(shè)備的體積,，對體積小、成本低,、速度高的飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)設(shè)計具有十分重要的意義,。

1 記錄器總體設(shè)計方案

　　高速數(shù)據(jù)記錄器的系統(tǒng)設(shè)計主要框圖如圖1所示，主要由現(xiàn)場可編程器件FPGA,、DSPIC30F6014A單片機(jī),、USB接口控制芯片CH378、U盤,、數(shù)據(jù)存儲芯片F(xiàn)lash和高速串行數(shù)據(jù)總線422等模塊組成,。

　　整個系統(tǒng)工作過程：首先高速串行數(shù)據(jù)經(jīng)過422總線傳輸給FPGA，然后FPGA對高速數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換和編幀處理,，通過控制Flash實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的大容量緩存功能,，并將緩存的數(shù)據(jù)經(jīng)過并口與DSPIC30F6014A進(jìn)行通信，最后利用DSPIC30F6014A接收來自FPGA的數(shù)據(jù)并通過控制CH378將數(shù)據(jù)存儲到U盤中,。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　2.1 FPGA控制模塊

　　為了解決傳統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)直接由單片機(jī)作為主控制芯片造成的數(shù)據(jù)丟失問題,，本設(shè)計選用FPGA作為高速數(shù)據(jù)的緩存控制芯片，以提高系統(tǒng)的可靠性,。其中FPGA選用Xilinx公司Spartan-3E系列芯片XC3S500E,，該芯片具有功耗低、資源豐富,、高性能等特點(diǎn),，其I/O口兼容多種電平標(biāo)準(zhǔn),，有助于與單片機(jī)連接通信。內(nèi)部多達(dá)360 Kbit的Block RAM,，可配置為雙端口RAM,，添加必要的控制模塊構(gòu)成高速異步FIFO，為數(shù)據(jù)的寫入及讀取提供足夠的緩沖空間,。同時，它具有4個時鐘管理單元,，可方便對FPGA的主頻分頻或倍頻,，產(chǎn)生不同模塊所需的時鐘信號，并能夠保證這些時鐘信號精確穩(wěn)定,。

　　2.2 DSPIC30F6014A控制模塊

　　系統(tǒng)選用了高性能的DSPIC30F6014A單片機(jī)作為U盤數(shù)據(jù)存儲部分的主控制芯片,，該單片機(jī)為單指令周期，采用哈佛雙總線結(jié)構(gòu),，功耗低,，驅(qū)動能力強(qiáng)，并且I/O端口功能強(qiáng)大,，其與外部接口交換數(shù)據(jù)的效率非常高[3],。內(nèi)部有8 KB的片內(nèi)RAM，能夠作為高速數(shù)據(jù)的緩存區(qū),，其與FPGA和CH378之間的通信都是通過8位并口的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，能夠很大程度地提高讀寫數(shù)據(jù)的速度。其中DSPIC30F6014A與FPGA的連接示意圖如圖2所示,。

　　2.3 CH378模塊

　　CH378能夠成為U盤記錄器首選的U盤接口芯片,，是因為該芯片具有比CH376更高的通信速度[4]，其可實現(xiàn)12 Mb/s全速通信和480 Mb/s高速通信,；且在硬件連接方面,，提供了高速8位被動并行接口，可直接掛接在單片機(jī)等處理器的數(shù)據(jù)總線上,。其中CH378與DSPIC30F6014A單片機(jī)及U盤的部分引腳連接圖如圖3所示,。將TXD引腳接GND,其余引腳懸空，使得CH378被配置為8位并口通信接口,。8位并行數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的RD口連接,，CH378的WR#引腳、RD#引腳,、PCS#引腳和A0引腳分別與單片機(jī)的RC4～RC1引腳相連,，實現(xiàn)8位并口通信接口連接。

　　2.4 Flash模塊

　　大容量Flash選取了三星公司的NAND Flash K9M-DG08U5M,，其內(nèi)部組織形式為16 G×8 bit,，即容量為16 GB,，與U盤的存儲容量相當(dāng)，足以滿足海量數(shù)據(jù)緩沖所需的空間,；供電電壓與FPGA的供電電壓相同,，避免了為其單獨(dú)設(shè)計電源的麻煩；有8位數(shù)據(jù)引腳(D7～D0),、片選引腳(CS#),、命令鎖存引腳(CLE)、地址鎖存引腳(ALE),、寫控制引腳(WE),、讀控制引腳(RE)、Flash狀態(tài)引腳(R/B#),、電源及地引腳等,，與FPGA的連接非常方便，只需FPGA分配相應(yīng)的引腳與Flash連接即可,。

3 記錄器軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由FPGA和DSPIC30F6014A兩大主控部分組成,，其中采用VHDL語言對FPGA的程序進(jìn)行編寫，其主要實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的接收和處理,、Flash數(shù)據(jù)讀寫控制以及與DSPIC30F6014A進(jìn)行通信等功能,；單片機(jī)的程序利用C語言進(jìn)行描述，主要完成對CH378的控制,、與FPGA的通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

　　3.1 FPGA模塊程序設(shè)計

　　數(shù)據(jù)在存儲時是按照一定的幀格式進(jìn)行存儲的,，本系統(tǒng)設(shè)計的幀格式如表1所示，每一幀數(shù)據(jù)由4 089 B數(shù)據(jù),、4 B幀標(biāo)志和3 B幀計數(shù)組成,，其中幀標(biāo)志分別為BEH、90H,、數(shù)據(jù)流標(biāo)識（第一路數(shù)據(jù)為11H,，第二路數(shù)據(jù)為22H）和一個固定位00H。幀計數(shù)為3個字節(jié)表示,，依次先為低位后為高位,。

　　FPGA的主要工作流程圖如圖4所示，F(xiàn)PGA接收來自422總線接口的串行數(shù)據(jù),，并對兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換以及按照一定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行編幀處理,，之后將編幀處理的數(shù)據(jù)存入寫FIFO中，判斷寫FIFO半滿標(biāo)志位WR_FIFO_HF是否為高電平,。若為高電平則開始往Flash中寫入數(shù)據(jù),，等到寫完一頁數(shù)據(jù)后，開始檢測單片機(jī)的讀數(shù)據(jù)信號是否有效,。若有效,，將由Flash數(shù)據(jù)讀寫控制模塊讀取Flash中的數(shù)據(jù),，并暫存在讀FIFO,由單片機(jī)讀取讀FIFO中的數(shù)據(jù)。

　　3.2 DSPIC30F6014A模塊程序設(shè)計

　　DSPIC30F6014A程序流程圖如圖5所示,。系統(tǒng)上電后,，首先單片機(jī)復(fù)位。然后由單片機(jī)向CH378發(fā)送硬件連接測試命令CMD_CHECK_EXIST(06H),，接著發(fā)送數(shù)據(jù)55H,，若硬件連接正常，應(yīng)由CH378返回數(shù)據(jù)AAH,，否則說明硬件連接不正?；騿纹瑱C(jī)不工作。測試到CH378連接正常后,，初始化CH378，并設(shè)置工作模式為USB主機(jī)方式,，然后檢測U盤是否連接,，如果U盤成功連接并已檢測到，則對U盤進(jìn)行初始化,。初始化成功后,，創(chuàng)建文件，檢測FIFO讀半滿標(biāo)志位是否為1,，若為1則將FPGA的讀FIFO中的數(shù)據(jù)通過DSPIC30F6014A的控制以字節(jié)方式寫入U盤文件,，數(shù)據(jù)讀取完畢后結(jié)束操作。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果及分析

　　由于U盤的寫數(shù)據(jù)速度會受到U盤的質(zhì)量,、單片機(jī)的性能等一些因素的影響,，因此為了最大程度地提高數(shù)據(jù)記錄器處理數(shù)據(jù)的速度，在具體應(yīng)用之前,，對一些性能進(jìn)行了測試,，通過分別往USB2.0和USB3.0的U盤中以字節(jié)方式一次性寫入100 MB的數(shù)據(jù)(其中分別選用單片機(jī)的RAM的2 KB、5 KB和7 KB作為數(shù)據(jù)的緩存區(qū)),，得到了表2的U盤寫數(shù)據(jù)測試結(jié)果,。結(jié)果表明，選用RAM為7 KB并結(jié)合USB3.0的U盤可以極大限度地提高數(shù)據(jù)記錄器處理數(shù)據(jù)的速度,。

　　實驗及調(diào)試過程中,，采用以FPGA為控制核心，產(chǎn)生波特率均為460.8 kb/s的422總線串行數(shù)據(jù)作為模擬數(shù)據(jù)源,。為了便于分析,，數(shù)據(jù)采用遞減的鋸齒波。數(shù)據(jù)存儲完畢后,，通過計算機(jī)讀取U盤中的數(shù)據(jù),，由上位機(jī)軟件對文件進(jìn)行分析和繪圖顯示,，圖6為數(shù)據(jù)波形整體圖，圖7為波形拉伸放大后的波形,，從圖6和圖7中可以看出波形穩(wěn)定,，并無明顯丟數(shù)現(xiàn)象。

　　將讀出的數(shù)據(jù)在UltraEdit中打開,，如圖8所示,，并沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤并且數(shù)據(jù)幀格式正確，說明本電路具有可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸性能,。

5 結(jié)論

　　為了滿足目前飛行數(shù)據(jù)記錄器對數(shù)據(jù)的大容量和高速存儲的需求,，文中提出了一種基于FPGA和DSPIC-30F6014A的數(shù)據(jù)記錄器設(shè)計方法，并對數(shù)據(jù)寫入U盤的速度進(jìn)行了測試,。結(jié)果表明,，高速串行數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)記錄器的一系列處理后，最后以并行數(shù)據(jù)寫入USB3.0 U盤的速度可達(dá)到314 KB/s,，并且通過上位機(jī)分析得知數(shù)據(jù)存儲可靠,，并無數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。該設(shè)備還具有設(shè)備體積小,、成本低和便于攜帶等優(yōu)點(diǎn),，很大程度緩解了數(shù)據(jù)存儲的壓力，具有很廣闊的應(yīng)用前景,。

參考文獻(xiàn)

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