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任務(wù)，以eMMC為存儲單元，解決了傳統(tǒng)的以Flash為存儲模塊的復(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存儲器模塊、讀數(shù)盒模塊、上位機(jī)5個模塊組成。每進(jìn)行一次觸發(fā)操作，128路電壓范圍在±5 V的模擬信號就會通過運(yùn)放跟隨電路的放大后進(jìn)入8個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，使接到每一個模擬開關(guān)上的16個模擬信號依次送到AD轉(zhuǎn)換驅(qū)動芯片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的控制下依次存儲在eMMC芯片MTFC2GMDEA-0M中。一次觸發(fā)操作會在eMMC中存儲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)動芯片。電路上電后，F(xiàn)PGA首先會對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)動電壓由FPGA提供，A/D轉(zhuǎn)換的時鐘由FPGA內(nèi)部的定時器產(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)動電路如圖2所示。

2.3 存儲電路

    數(shù)據(jù)存儲部分是整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的載體，承擔(dān)著存儲由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)采集及存儲系統(tǒng)選用了鎂光公司的MTFC2GMDEA-0M芯片作為數(shù)據(jù)存儲。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)按照一定的時序?qū)懭雃MMC芯片，完成數(shù)據(jù)的存儲。

    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)存儲到eMMC的Flash存儲區(qū)，完成一次數(shù)據(jù)存儲。

3.2 數(shù)據(jù)讀取

    要分析eMMC中存儲的數(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，開始數(shù)據(jù)讀，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時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)個數(shù)等于數(shù)據(jù)塊長度時，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，利用讀數(shù)盒將存儲在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)采集存儲系統(tǒng)，以eMMC為存儲單元，解決了傳統(tǒng)的以Flash為存儲模塊的復(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)采集存儲系統(tǒng)讀寫時序正確，誤差范圍可控制在0.1%范圍內(nèi)，能夠確保已存儲的數(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)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051）