基于FPGA的高速采集和深存儲的模塊設計

摘要：為了實現(xiàn)飛行器在飛行試驗狀態(tài)下對空間噪聲信號的記錄，設計了一個基于FPGA的超聲數(shù)據(jù)采集與存儲模塊。該模塊以FPGA芯片XC3S400作為主控制器，使用THS1408芯片作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并進行存儲。在超聲數(shù)據(jù)采集模塊FPGA軟件方案中，對軟件的功能、實現(xiàn)框圖以及軟件流程做了相應的介紹。Flash芯片采用交替雙平面頁編程方式，提高了數(shù)據(jù)的寫入速度。通過試驗驗證了該采集與存儲模塊功能的有效性。

隨著高速采集和大容量存儲技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的低速采樣和單一Flash存儲結構的應用已經(jīng)難以滿足工業(yè)化和軍事化應用。在航空、工業(yè)等領域中，數(shù)據(jù)采集和存儲設備占據(jù)著很重要的地位，對多通道高速數(shù)據(jù)采集技術的應用需求也越來越廣泛，對數(shù)據(jù)存儲容量的要求也越來越高，特別是在需要對數(shù)據(jù)進行記錄和回放分析的場合。在飛行器的飛行研制、驗證和完善階段，對飛行過程中各項參數(shù)的變化和分析具有重要作用和意義[1]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和存儲設備由于存在低采樣率和存儲量小的缺點，已難以勝任長時間數(shù)據(jù)采集與存儲的任務，因此采用新的采集和存儲陣列技術解決高速數(shù)據(jù)采集和大容量存儲的問題顯得日益重要。由于FPGA具有可靈活配置、低成本以及Flash可組成陣列的特點，對解決飛行試驗中數(shù)據(jù)采集和存儲的問題提供了可能。

本文提出了一種基于FPGA高采樣率深存儲的設計方案，并可實現(xiàn)飛行器在飛行過程中的各項原始數(shù)據(jù)的記錄、分析和回放。而且可以通過上位機軟件在計算機中讀取出飛行的原始數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)拆分以及繪圖，供試驗后進行分析。

1 總體設計方案

本設計采用型號為XC3S400E的FPGA芯片作為邏輯控制單元，該芯片擁有400 K邏輯門，288 KB Block RAM，I/O數(shù)量達到了141個，其低成本、低功耗和可靈活配置的特性能夠滿足設計要求[2-3]。引腳支持高速數(shù)據(jù)通信，能夠完成高速采集和存儲接口的設計，設計總體框圖如圖1所示，其中信號調(diào)理電路完成模擬信號的放大和濾波，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換功能。為了提高電源的抗噪聲性能，在給系統(tǒng)模擬電路和數(shù)字電路供電之前需要經(jīng)過濾波處理。存儲模塊由4個深存儲的三星Flash組合成一個16 GB的Flash陣列，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的大容量存儲功能?？偩€接口完成與計算機之間控制指令、數(shù)據(jù)、地址等信號的通信。

系統(tǒng)工作原理：計算機通過USB總線接口給系統(tǒng)下發(fā)控制指令，指令在FPGA邏輯控制單元進行譯碼，之后完成相對應的采集、存儲等操作。參數(shù)信號經(jīng)過信號輸入接口后進行調(diào)理和模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)字信號存儲到Flash陣列中，以備計算機對數(shù)據(jù)進行回放和分析。

設計總體框圖

2 硬件電路設計

采集模塊主要由信號調(diào)理電路、單端轉(zhuǎn)差分電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路三部分組成，采集模塊的電路原理圖如圖2所示。信號調(diào)理電路的作用是把傳感器輸入的相對較小的電壓信號進行放大，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸入要求[4]。單端轉(zhuǎn)差分電路將傳感器輸入的單端模擬信號轉(zhuǎn)換成差分信號，以滿足模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片THS1408轉(zhuǎn)換的輸入信號要求[5]。FPGA控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將符合條件的數(shù)據(jù)進行編幀，寫入16 GB Flash陣列。其中運放采用AD8028，當輸入信號頻率不大于1.5 MHz時，運放跟隨后的波形效果仍然很好，滿足設計要求。最初設計階段，電阻R12選用10 kΩ阻值，在實際電路調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)A/D運放的容性負載隨著輸入信號頻率的增大不斷減小，當輸入信號頻率達到1 MHz以上時，AD8028的輸入電容值C和容性負載由下式得出：

基于FPGA的高速采集和深存儲的模塊設計

由式(1)可知，AD8028的容性輸入阻抗與R12在同一數(shù)量級，電阻R12阻值過大，會對輸入信號進行分壓，使得輸入信號的幅值衰減。把電阻R12更換成1 kΩ以后，輸入信號幅值的衰減幾乎可以忽略不計，保證了信號的采集精度。THS1408采用具有三態(tài)緩沖的并行數(shù)據(jù)接口，可以直接連接到數(shù)據(jù)總線接口，通過驅(qū)動OE為低可以將數(shù)據(jù)輸出使能，使得電路設計更加簡單。

3 軟件設計

3.1 FPGA邏輯設計
邏輯控制中心FPGA主要完成THS1408內(nèi)部寄存器的初始化和數(shù)/模轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)采集的控制、數(shù)據(jù)有效性判斷以及Flash陣列芯片的讀寫控制功能。內(nèi)部程序框圖如圖3所示。

內(nèi)部程序框圖

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本文導航

第 1 頁：基于FPGA的高速采集和深存儲的模塊設計
第 2 頁：中心控制器

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存儲(89734) 存儲(89734)
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基于FPGA的高速USB2.0數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主控電路設計

2016-01-04 15:31:55

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的FPGA的設計

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的FPGA的設計，下來看看

2016-05-10 11:24:33

于FPGA的高速多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

于FPGA的高速多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計。

2016-05-10 13:45:28

基于FPGA的高速實時圖像采集和自適應閾值算法

基于FPGA的高速實時圖像采集和自適應閾值算法

2016-05-10 13:45:28

基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)設計

基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)設計.

2016-05-10 17:06:40

基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口設計

基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口設計.

2016-05-10 17:06:40

基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計,下來看看

2016-05-10 17:06:40

基于FPGA高速數(shù)據(jù)采集的解決方案

基于FPGA高速數(shù)據(jù)采集的解決方案，下來看看

2016-05-11 09:46:01

基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計_楊江濤

基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計，用ad芯片和sdram構成高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2016-05-17 09:49:51

基于FPGA的多通道高速CMOS圖像采集系統(tǒng)

基于FPGA的多通道高速CMOS圖像采集系統(tǒng)

2016-08-30 15:10:14

基于FPGA的多通道圖像采集存儲系統(tǒng)設計

基于FPGA的多通道圖像采集存儲系統(tǒng)設計

2016-08-30 15:10:14

基于FPGA的高速圖像采集系統(tǒng)的研究與設計

基于FPGA的高速圖像采集系統(tǒng)的研究與設計

2016-08-30 15:10:14

基于FPGA的某型雷達視頻采集預處理模塊設計

基于FPGA的某型雷達視頻采集預處理模塊設計

2016-08-30 15:10:14

基于USB20和FPGA的圖像采集、存儲系統(tǒng)研究

基于USB20和FPGA的圖像采集、存儲系統(tǒng)研究，感興趣的可以看看。

2016-09-22 14:08:55

基于FPGA控制的高速圖像實時存儲

基于FPGA控制的高速圖像實時存儲，下來看看

2016-09-22 12:26:33

基于FPGA的新型高速CCD圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于FPGA的新型高速CCD圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2016-09-22 13:05:38

基于FPGA的高速固態(tài)存儲器優(yōu)化設計_楊玉華

基于FPGA的高速固態(tài)存儲器優(yōu)化設計_楊玉華

2017-01-13 21:40:36

基于FPGA的多功能數(shù)據(jù)采集模塊設計金剛

基于FPGA的多功能數(shù)據(jù)采集模塊設計_金剛

2017-03-19 11:38:26

基于FPGA的屜式溫度采集模塊設計_王闖

基于FPGA的屜式溫度采集模塊設計_王闖

2017-03-19 19:07:17

基于FPGA的高速AD采集卡設計

采用FPGA實現(xiàn)對AD 輸出數(shù)據(jù)的高速采集

2017-08-30 17:16:02

高速數(shù)據(jù)存儲管理設計和基于FPGA高速圖像數(shù)據(jù)的存儲及顯示設計

設計了一種基于FPGA控制Nand Flash陣列實現(xiàn)高速流水線式存儲的方案。設計利用FPGA作為主控制器，通過CameraLink輸入通信接口將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過一/二級緩存寫入Flash存儲陣列中，并

2017-10-11 18:33:17

基于FPGA的高速DSP與液晶模塊接口的實現(xiàn)

基于FPGA的高速DSP與液晶模塊接口的實現(xiàn)

2017-10-19 13:46:23

Tera-Store高速數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)

2017-10-24 09:28:41

基于FMCA150的高速數(shù)據(jù)采集模塊的應用

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，無論在雷達、通信、自動化、工業(yè)自動控制、電子測量等方面對數(shù)據(jù)的采集要求越來越高、同時要求對多通道的數(shù)據(jù)進行采集和處理。FMC150為高速多通道AD和DA采集模塊，滿足多種

2017-11-08 15:52:17

基于FPGA的視頻采集需要實施顯示和視頻數(shù)據(jù)存儲的問題

首先介紹了基于FPGA視頻采集系統(tǒng)的整體設計，對于采集和存儲過程中實時性和高效性的要求，分別討論了ITU656視頻解碼中需要從采集到的視頻數(shù)據(jù)中提取出有效視頻數(shù)據(jù)流，以及將其調(diào)整為符合VGA顯示

2017-11-17 01:28:55

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Zynq7000 FPGA的高速信號采集處理平臺的設計搭建以及后續(xù)拓展

在高速信號采集及處理系統(tǒng)中，需要解決高速應用、高速緩存、大數(shù)據(jù)存儲、高速處理以及通信這幾項問題。在嵌入式平臺上，一般采用高速A/D轉(zhuǎn)換器及DDR搭建高速采集與存儲模塊，對處理器有比較高的要求

2017-11-17 04:20:01

12189

基于FPGA的高速圖像采集系統(tǒng)的詳細分析與結論

現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學研究對圖像采集系統(tǒng)的要求日益提高。傳統(tǒng)的圖像采集卡速度慢、處理功能簡單，不能很好地滿足特殊要求，因此，我們構建了高速圖像采集系統(tǒng)。它主要包括圖像采集模塊、圖像低級處理模塊以及總線接口模塊等。這些模塊是在 FPGA 中利用 VHDL 編程實現(xiàn)的。高速圖像采集系統(tǒng)主要用于視覺檢測。

2017-11-24 19:00:02

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通過FPGA實現(xiàn)多種主流高速串行交換模塊研究設計

隨著FPGA應用范圍的不斷擴大以及對速度需求的不斷提升，集成高速串行模塊的FPGA已經(jīng)應用于市場。以Xilinx的Virtex5系列為代表的集成GTPRocketIO模塊的FPGA受到廣泛關注。以

2018-07-20 11:42:00

2009

利用AD574A設計基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

利用AD574A設計基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)包含內(nèi)嵌雙口，在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)的RAM用于寫入操作;地址計數(shù)器，用于提供存儲地址保存采集數(shù)據(jù)。具備高采樣精度、高集成度，并且速度快、靈活性強、可靠性高，易于升級與擴展。

2017-12-18 17:37:20

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利用FPGA和DSP實現(xiàn)信號檢測系統(tǒng)設計

整個系統(tǒng)的組成如圖1所示。當啟爆電路在DSP和FPGA的控制下啟爆時，感應線圈取出啟爆電流，首先是高速數(shù)據(jù)采集與存儲電路，以FPGA為核心，對數(shù)據(jù)進行高速采集與存儲。數(shù)據(jù)存儲完畢，FPGA發(fā)信號告知DSP采集完畢，開始對采集的數(shù)據(jù)進行相關的處理。

2018-10-07 12:03:03

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FPGA如何解決高速數(shù)據(jù)的采集與處理問題的詳細資料設計

由于FPGA的高速和并行處理特性，使其廣泛應用在高速信息處理系統(tǒng)中．以X射線能譜的前端數(shù)據(jù)處理為對象，提出了基于FPGA實現(xiàn)對高速數(shù)據(jù)的采集與處理的方法．同時討論了電子測量系統(tǒng)中的補償措施．

2018-09-21 15:50:58

如何使用FPGA設計高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的詳細資料免費下載

Nandflmh流水線數(shù)據(jù)存儲模式對高速采集的數(shù)據(jù)進行存儲。搭建硬件電路，并在FPGA內(nèi)部通過編寫VHDL語言實現(xiàn)了采集模塊、控制與存儲模塊和Nandflmh存儲功能。調(diào)試結果表明，芯片的讀寫時序信號對應的位置準確無誤，沒有出現(xiàn)時序混亂，且采集速度能保持在10

2018-10-12 16:14:48

基于FPGA的高速多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方案詳細資料說明

介紹了一種基于FPGA的高速多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方案，描述了系統(tǒng)的主要組成及FPGA的實現(xiàn)方法，并用v∞L語言設計的狀態(tài)杌在Qmr嚙Ⅱ開發(fā)軟件中進行仿真。該系統(tǒng)在通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎上，增加數(shù)

2018-10-12 16:15:09

如何使用FPGA進行超多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構成和設計過程資料概述

為了實現(xiàn)高清晰度油氣管道漏磁檢測器高精度多通道數(shù)據(jù)采集的要求，采用AlteraCyclone系列FPGA EPlC6為核心控制模塊，結合AD9223模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片構建了超多通道、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用

2018-10-16 10:34:09

如何使用ARM處理器和FPGA進行高速信號采集系統(tǒng)設計

本文提出了一種實現(xiàn)信號采集方案，介紹了由ARM 處理器S3C2410 和EP2C8 FPGA 組成的高速信號采集系統(tǒng)的系統(tǒng)設計，并著重介紹前端硬件的設計，并就ARM 處理器和FPGA 的互聯(lián)設計進行探討。利用FPGA 硬件控制A/D 轉(zhuǎn)換，達到了較好的效果，實現(xiàn)了信號的采集與存儲。

2018-11-02 15:46:01