0 引言

    隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,，對彈載數(shù)據(jù)的傳輸速率和存儲的可靠性,、準(zhǔn)確性的實現(xiàn)提出了更高的要求^[1-2]。為了解決在惡劣航天條件下彈上傳感器數(shù)據(jù)存儲高速高可靠性的難題,，本文設(shè)計的存儲模塊主要實現(xiàn)對傳感器模擬信號的采集,、處理，并以FPAG作為系統(tǒng)的控制中心,，通過鋰電池供電,，使得設(shè)備能夠獨立工作。傳感器模擬信號的采集采用AD7091R,，通過FPGA存儲至Flash中,。其中Flash采用斷電續(xù)存技術(shù)，使得傳感器即使突然斷電依舊能夠保障數(shù)據(jù)的完整；同時USB負責(zé)將存儲的數(shù)據(jù)上傳至上位機,，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析和處理^[3],。設(shè)備設(shè)計遵循小型化、標(biāo)準(zhǔn)化,，并且能夠承受外界較大的沖擊載荷,，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速存儲^[4-7]。

1 總體方案設(shè)計

    傳感器的數(shù)據(jù)即使在各類突發(fā)情況下(如斷電)必須準(zhǔn)確無誤地存儲到設(shè)備中,。綜合考慮各種因素,，將設(shè)備做成圓柱體形狀，底面圓半徑為50 mm,，高為60 mm,，內(nèi)部電路板必須小于外形尺寸。

    總體設(shè)計原理圖如圖1所示,?？紤]到系統(tǒng)要經(jīng)歷巨大的沖擊作用以加速到預(yù)期的飛行速度，有時該沖擊過程的幅度峰值可達20 000 g以上(g為重力加速度),，作用時間在數(shù)十毫秒以內(nèi),，結(jié)合彈內(nèi)空間對系統(tǒng)外形的要求，芯片選擇應(yīng)盡可能小型化且具備較好的抗干擾性,，其中FPGA采用Xilinx公司生產(chǎn)的XC3S1400AN芯片,，并選用尺寸較小的BGA封裝，用于傳感器模擬信號采集的AD7091R采用MSOP-10小型封裝,，升壓芯片考慮到鋰電池的供電以及封裝等問題采用TPS63002^[8],。由于FPGA供電需求為1.2 V和3.3 V，而且整個設(shè)備所用芯片的供電電壓也是以3.3 V居多,，采用TPS70345電源轉(zhuǎn)換芯片為系統(tǒng)供電,。調(diào)理電路主要實現(xiàn)信號的跟隨、分壓,、再跟隨,，采用封裝較小的AD823?？紤]到整個系統(tǒng)每次上電后設(shè)備運行采集信號時長為2 h,，而AD7901R每200 μs采集一次數(shù)據(jù)，2 h的數(shù)據(jù)量為411.987 MB,，為滿足系統(tǒng)的存儲需求,，F(xiàn)lash選用三星公司具有4 GB存儲空間的NAND型Flash——K9WBG08U1M芯片^[9]。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 供電電路設(shè)計

    彈載存儲測試系統(tǒng)工作在狹窄空間,、高溫,、高壓,、高沖擊等惡劣條件下，為保證設(shè)備在惡劣條件下供電系統(tǒng)仍具備較高的可靠性能,，系統(tǒng)的供電部分由鋰電池和USB供電組成,；雙模式供電可以提高設(shè)備的可靠性，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中不會因為鋰電池出現(xiàn)問題而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性^[10],。

    利用隔離電路,，當(dāng)L5V(USB5V)供電時，二極管就相當(dāng)于斷開,，同時也能防止后續(xù)電壓倒灌,。電壓通過二極管之后電壓會低于5 V，不能正常為電路板供電,，因此再通過升壓芯片將電壓升到5 V,。隨后5 V通過TPS70345轉(zhuǎn)換成3.3 V和1.2 V，為FPGA和其他電路提供電源,。

2.2 USB接口電路設(shè)計

    USB不僅作為數(shù)據(jù)上傳上位機的關(guān)鍵接口,，同時也是為電路板供電的重要電源?？紤]到數(shù)據(jù)量和實際要求,，芯片選用FT232H^[11-13]，該串口的傳輸速度可以達到480 Mb/s,，USB具體電路圖如圖2所示,。采用USB接口上傳數(shù)據(jù)節(jié)省了電纜，并且更加便利,，使整個設(shè)備的通用性增強,。USB供電同時也節(jié)約了資源，其中,，C40和C41為USB5V過濾其他電壓，使電路板的供電更加穩(wěn)定,。

2.3 A/D采集調(diào)理電路設(shè)計

    A/D轉(zhuǎn)換芯片直接關(guān)系到系統(tǒng)的采樣精度,，其作用是將系統(tǒng)采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換芯片使用1 Mb/s,、超低功耗,、12 bit采樣率的AD7091R，采集和轉(zhuǎn)換過程主要利用CONVST控制,，完成轉(zhuǎn)換需要650 ns,。使用外部基準(zhǔn)電壓源時，AD7091R從省電模式上電需要100 μs,，A/D轉(zhuǎn)換整個過程需要250 μs^[14],。傳感器模擬信號進入A/D轉(zhuǎn)換之前，由于電壓高于A/D轉(zhuǎn)換芯片的工作電壓，需要調(diào)理之后才能進入轉(zhuǎn)換,。模擬信號的調(diào)理應(yīng)用AD823實現(xiàn)電壓的跟隨,、分壓、再跟隨,，使得信號更加準(zhǔn)確,。調(diào)理電路圖如圖3所示。

3 控制邏輯設(shè)計

3.1 斷電續(xù)存控制

    彈載系統(tǒng)工作時,，因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及外界環(huán)境等不確定因素的存在偶爾會發(fā)生瞬時斷電,，這一情況會導(dǎo)致已存儲的數(shù)據(jù)在斷電恢復(fù)后被覆蓋記錄。

    針對數(shù)據(jù)被覆蓋記錄的問題提出斷電續(xù)存技術(shù),，該技術(shù)根據(jù)儲芯片所有位的初始數(shù)據(jù)為1,，且擦除芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)后每位同樣為1，但所存儲的數(shù)據(jù)不可能均為1這一情況,，記錄數(shù)據(jù)時通過查找FF操作塊完成查找斷電地址,。

    數(shù)據(jù)記錄過程為：(1)檢查無效塊；(2)擦除有效塊,；(3)在相應(yīng)有效塊中記錄數(shù)據(jù),，塊地址加1進入下一個循環(huán)。如果斷電時正在進行這3步中的任何一步,，那么該block塊或下一塊中的數(shù)據(jù)必定存在一段FF塊,，如果遇到突發(fā)情況設(shè)備突然斷電，檢查完成后再次上電,，設(shè)備可以通過查找FF操作塊從上次采集數(shù)據(jù)結(jié)束的地方再次進行數(shù)據(jù)的存儲,，從而避免數(shù)據(jù)覆蓋記錄，提高設(shè)備的可靠性,，以適應(yīng)更加復(fù)雜的環(huán)境,。同時存儲的過程中采用交錯雙頁面編程的操作方式^[15]提高存儲速度，使得存儲速度可以匹配A/D采集的速率,。

    檢測FF塊流程圖如圖4所示,。根據(jù)Flash制備的特質(zhì)，通過尋找FF塊并以其為起始存儲地址繼續(xù)存儲數(shù)據(jù)實現(xiàn)斷電續(xù)存的功能,，確保傳感器數(shù)據(jù)記錄的完整性,。

3.2 交錯雙頁面編程

    因為同一時間Flash只有一個設(shè)備工作，所以每加載一次數(shù)據(jù)就必須要等待一個完整的T_PROG^[16],，其極限寫入速度4 kB/(25 ns×4 096+200 μs)=12.96 MB/s,。

    交錯雙頁面編程是以相當(dāng)于流水的方式對各個plane進行操作，相較于使用雙頁面編程和雙平面編程方式較大幅度地提高數(shù)據(jù)的存儲速度,；其通過先寫入chip1的plane0的block0的第0頁,，緊接著再寫入chip1的plane1的block1的第0頁的方式寫入,，當(dāng)再次回到chip1的plane0時，用時為25 ns×4 096×7=716.8 μs,；因為716.8 μs已經(jīng)大于TPROG理論最大值700 μs,，所以其不會影響到再一次操作chip1的plane0的block0。這種方式避免了編程時間TPROG對存儲速度的影響,，理論上可以達到40 MB/s的寫入速度,，足以滿足A/D采集的速度。交錯雙頁面編程操作Flash流程圖如圖5所示,。

3.3 A/D控制邏輯

    設(shè)備上電由FPGA控制,，F(xiàn)PGA根據(jù)傳感器的工作情況進行供電。設(shè)備上電之后,，首先啟動AD7091R進行A/D轉(zhuǎn)換,。其中從高電平變成低電平，正式開始啟動A/D轉(zhuǎn)換,。數(shù)據(jù)在SCLK和的控制下輸出器件^[17],。DB11在下降沿輸出，而DB10到DB0是根據(jù)SCLK的下降沿輸出數(shù)據(jù),，在完成最后一個數(shù)據(jù)輸出之后,，SDO返回高阻態(tài)。全部數(shù)據(jù)輸出之后,，SCLK為空閑低電平,，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，整個過程需要650 ns,。具體邏輯如圖6所示,。如果在進行轉(zhuǎn)換時，再將拉低,，重復(fù)上述周期,。

4 測試結(jié)果與分析

    依據(jù)數(shù)據(jù)采集存儲模塊要測試的各項技術(shù)指標(biāo)，搭建了高速數(shù)據(jù)采集存儲模塊的測試平臺來進行單機測試,，整個平臺由地面測試臺,、讀數(shù)裝置、上位機軟件,、測試電纜網(wǎng)以及待測的數(shù)據(jù)采集存儲模塊組成。

    設(shè)備上電后,，開始采集傳感器信號,，一段時間之后再斷電。斷電2 min之后再上電,，分析采集回的數(shù)據(jù),，通過判斷幀尾“EB90”和幀計數(shù),，可以確定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，數(shù)據(jù)如圖7所示,。該模塊成功解決了存儲模塊因斷電或切換電源后重新記錄的數(shù)據(jù)會覆蓋原有數(shù)據(jù)的問題,，同時該模塊的存儲速度達到30.72 MB/s，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速存儲和實時存儲,。

5 結(jié)論

    本文提出了一種基于雙模式供電,、斷電續(xù)存和交錯雙頁面編程技術(shù)的數(shù)據(jù)采集存儲模塊，該模塊實現(xiàn)了預(yù)期功能,，成功解決了因設(shè)備斷電而導(dǎo)致的設(shè)備采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題,，并且設(shè)備同時具備實時存儲數(shù)據(jù)、存儲速度快的優(yōu)點,。模塊的整體尺寸較小,，集成化較高，具有極好的環(huán)境適應(yīng)性,，能長時間工作在惡劣環(huán)境下,。該模塊為部分需要搭載大量傳感器且需要長時間采集、快速存儲大量數(shù)據(jù)的彈載設(shè)備提供了可能,。

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作者信息:

王琳瑋1，邵星靈1,，楊  衛(wèi)1,，荊  誠2

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原030051,；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,，北京100076)