0 引言

    當(dāng)今海洋已經(jīng)和太空一樣成為人類探索自然的重要領(lǐng)域,，我國水下探測設(shè)備的水平已達(dá)到一個(gè)新的高度。隨著我國水下探測技術(shù)的進(jìn)步,，對數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)測試儀器的可靠性,、高速、大容量,、多通道等技術(shù)參數(shù)提出了更高的要求^[1-2],。本文的128路數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)主要完成對水下模擬船艙相關(guān)參數(shù)的高速多次采集存儲(chǔ)任務(wù),，以eMMC為存儲(chǔ)單元,，解決了傳統(tǒng)的以Flash為存儲(chǔ)模塊的復(fù)雜的壞塊檢測與系統(tǒng)管理等問題。該系統(tǒng)可進(jìn)行多次觸發(fā),，采集并存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù),；通過讀數(shù)盒與上位機(jī)通信并傳輸采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

    任何測量系統(tǒng)都需要有精度要求,，否則測量將失去意義^[3-4],。128路數(shù)據(jù)采集的總采樣率達(dá)到1.6 MS/s，采集編碼長度為12 bit,，采樣精度0.1%,，可重復(fù)觸發(fā)，單次記錄時(shí)間達(dá)到5 s,。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

    基于eMMC的128路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊,、FPGA控制模塊、eMMC存儲(chǔ)器模塊,、讀數(shù)盒模塊,、上位機(jī)5個(gè)模塊組成。每進(jìn)行一次觸發(fā)操作,，128路電壓范圍在±5 V的模擬信號就會(huì)通過運(yùn)放跟隨電路的放大后進(jìn)入8個(gè)16通道模擬多路復(fù)用開關(guān)ADG506,，經(jīng)多路模擬開關(guān)通道選擇，使接到每一個(gè)模擬開關(guān)上的16個(gè)模擬信號依次送到AD轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)芯片AD823中,，進(jìn)行信號調(diào)理后由AD轉(zhuǎn)換器AD7495進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換操作,。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號在FPGA的控制下依次存儲(chǔ)在eMMC芯片MTFC2GMDEA-0M中。一次觸發(fā)操作會(huì)在eMMC中存儲(chǔ)16 MB的數(shù)據(jù),，可以連續(xù)觸發(fā)4次,。最后可以通過讀數(shù)盒將數(shù)據(jù)回讀到上位機(jī)中，完成采集及存儲(chǔ)的任務(wù),。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

2.1 電源管理

    在本系統(tǒng)中,，需要對FPGA XC3S500E芯片進(jìn)行3.3 V、2.5 V和1.2 V供電,，因此需要利用電源轉(zhuǎn)換芯片將5 V的電壓轉(zhuǎn)換到所需要的電壓值,。系統(tǒng)選用電壓轉(zhuǎn)換器SPX3819將電源電壓轉(zhuǎn)換成所需要的電壓值。

2.2 模擬電路

    數(shù)據(jù)采集部分在FPGA的控制下實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化^[5-6],，主要由運(yùn)放調(diào)理電路,、模擬開關(guān)和AD轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。

2.2.1 放大電路設(shè)計(jì)

    該128路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)放調(diào)理電路采用的是高精度低噪聲模擬信號放大器OP4177,，多路信號放大的芯片OP4177具有4條互不干涉的信號放大通道,，可對4路模擬信號進(jìn)行同時(shí)放大。

2.2.2 模擬開關(guān)

    本系統(tǒng)采用了16通道的模擬多路復(fù)用器ADG506A進(jìn)行模擬通道的選擇,。通過FPGA控制ADG506A的4條地址線來決定在某一時(shí)刻送到AD轉(zhuǎn)換器之中的信號是哪一位,，使16路模擬信號可以依次發(fā)送到AD轉(zhuǎn)換器中，大大提高了系統(tǒng)的集成度,。

2.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)采用的是精度為12 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7495,，并采用芯片AD823作為A/D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)芯片。電路上電后,，F(xiàn)PGA首先會(huì)對A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行參數(shù)設(shè)定,，A/D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電壓由FPGA提供，A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘由FPGA內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生,。AD7495芯片要求采集模擬量在-2.5 V~2.5 V之間,，而考慮到實(shí)際用的模擬量一般在0 V~5 V之間，所以需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換,，使其滿足AD7495的輸入電壓要求,，保證模數(shù)轉(zhuǎn)換的正確性。模數(shù)轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示,。

2.3 存儲(chǔ)電路

    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分是整個(gè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的載體,，承擔(dān)著存儲(chǔ)由A/D轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的重任。128路數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)選用了鎂光公司的MTFC2GMDEA-0M芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ),。該器件將Nand Flash與控制器和MMC接口封裝到一起,，控制器負(fù)責(zé)Flash的無效塊檢測、讀寫,、ECC校驗(yàn)等^[7],，大大提高了數(shù)據(jù)的讀寫速度。該芯片對外提供標(biāo)準(zhǔn)MMC接口,，接口總線有時(shí)鐘線CLK,、命令線CMD、8位數(shù)據(jù)線以及復(fù)位信號線,，使用起來非常方便,，其電路連接圖如圖3所示,。

3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

    在正常無故障的情況下，經(jīng)過觸發(fā),，系統(tǒng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集后,，模擬信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)換為FPGA可以處理的數(shù)字信號，將轉(zhuǎn)換完的串行數(shù)據(jù)送回FPGA內(nèi)部FIFO進(jìn)行緩存,并由FPGA控制將FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)按照一定的時(shí)序?qū)懭雃MMC芯片,，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),。

    eMMC在傳輸模式之前首先進(jìn)行初始化操作，初始化操作主要完成器件識別,、模式配置以及擦除操作等^[8-9],。具體操作流程為：(1)發(fā)送CMD0命令，復(fù)位設(shè)備,；(2)發(fā)送CMD1命令,，獲取OCR，進(jìn)入準(zhǔn)備完畢狀態(tài),；(3)發(fā)送CMD2命令,，獲取器件信息,，進(jìn)入器件識別狀態(tài),；(4)發(fā)送CMD3命令，進(jìn)行eMMC地址分配,，進(jìn)入設(shè)備待命狀態(tài),；(5)發(fā)送CMD9命令，獲取設(shè)備寄存器的值,；(6)發(fā)送CMD7命令,，進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài),；(7)發(fā)送CMD19命令,，發(fā)送總線測試數(shù)據(jù)；(8)發(fā)送CMD14命令,，回讀總線測試數(shù)據(jù),，并檢驗(yàn)測試是否通過，系統(tǒng)返回傳輸狀態(tài),。

3.1 數(shù)據(jù)寫入

    eMMC的數(shù)據(jù)傳輸模式是其主要工作模式,，其讀寫操作都是在該模式下進(jìn)行的。eMMC有單塊寫和多塊寫兩種寫模式,，這里采用單塊寫模式,，其對應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖如圖4所示。首先,，在eMMC進(jìn)入傳輸模式之后發(fā)送CMD16命令,，設(shè)置寫數(shù)據(jù)塊長度,；接著發(fā)送CMD24命令，開始單塊寫操作,，將寫FIFO數(shù)據(jù)寫入eMMC,，依次寫入起始位、數(shù)據(jù)位,、CRC16校驗(yàn)碼與結(jié)束位,。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，eMMC器件會(huì)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC16校驗(yàn)比對,，校驗(yàn)成功后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到eMMC的Flash存儲(chǔ)區(qū),，完成一次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3.2 數(shù)據(jù)讀取

    要分析eMMC中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),，就要通過上位機(jī)將讀數(shù)盒數(shù)據(jù)回讀到計(jì)算機(jī),，因此eMMC的讀數(shù)過程需要上位機(jī)的配合完成。FPGA在接收到上位機(jī)發(fā)來的讀數(shù)命令后,，主動(dòng)給eMMC控制器發(fā)送讀數(shù)命令,。首先判斷eMMC后端FIFO是否寫滿，若寫滿則禁止往后端FIFO里寫數(shù),；若未滿,，則發(fā)送CMD17命令，開始數(shù)據(jù)讀操作,。當(dāng)檢測起始位有效時(shí),，開始數(shù)據(jù)讀，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)CRC校驗(yàn),，并對讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù),。當(dāng)計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)等于數(shù)據(jù)塊長度時(shí)，接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)接收,，并將接收到的數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)與eMMC的CRC檢驗(yàn)對比,，判斷數(shù)據(jù)接收是否正確，完成一次數(shù)據(jù)的讀取操作,。具體數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖5所示,。

4 測試與驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)及可靠性，分別對eMMC的寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)操作進(jìn)行了在線調(diào)試,。在信號輸入端提供電壓峰值為5 V的正弦波電壓進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性測試,。通過Chipscope進(jìn)行抓圖。經(jīng)分析,，CRC檢驗(yàn)正確,，證明數(shù)據(jù)讀寫正確。其數(shù)據(jù)讀與數(shù)據(jù)寫的測試結(jié)果如圖6,、圖7所示,。

    同時(shí),，利用讀數(shù)盒將存儲(chǔ)在eMMC中的數(shù)據(jù)讀取到上位機(jī)中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行直接的觀察,。圖8為128路信號中存儲(chǔ)在eMMC中前4路信號通過上位機(jī)讀取到的信號波形,。從圖中可以看出，128路數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)可以如實(shí)地反映出系統(tǒng)采集到的電壓范圍為±5 V的正弦波,。經(jīng)過標(biāo)定后,，128路數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的誤差范圍可控制在0.1%范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種128路數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng),，以eMMC為存儲(chǔ)單元,，解決了傳統(tǒng)的以Flash為存儲(chǔ)模塊的復(fù)雜的壞塊檢測與系統(tǒng)管理等問題。通過在線邏輯分析和上位機(jī)驗(yàn)證,，該128路數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)讀寫時(shí)序正確,，誤差范圍可控制在0.1%范圍內(nèi)，能夠確保已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可靠,、有效,，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

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作者信息：

侯天喜，李錦明,，馬  林,，降  帥

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051）