基于FPGA的水聲信號高速采集存儲系統(tǒng)設(shè)計*

代明清，馮西安，耿云輝，李曉花

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072)

數(shù)據(jù)采集與存儲是信號處理的一個重要環(huán)節(jié)，已被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、語音識別、圖像處理等領(lǐng)域。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，特別是各種數(shù)字信號處理器處理速度的提高，實(shí)時處理大量的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。但是，由于水下環(huán)境惡劣，實(shí)驗(yàn)成本高、水聲信號復(fù)雜多變等不利因素的影響，水聲信號的實(shí)時采集一直比較困難。根據(jù)實(shí)際問題，本文研制開發(fā)了一種基于FPGA和Flash的高速大容量數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用蓄電池供電，能在水下工作，可回收，有效解決了水聲信號的實(shí)時采集、存儲及后期處理等問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1是該數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的總體框圖。系統(tǒng)主要由信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、Flash數(shù)據(jù)存儲模塊和RS-232串行通信模塊組成。FPGA是整個系統(tǒng)的核心，主要完成模數(shù)轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)存儲控制及數(shù)據(jù)通信控制等功能。

前端信號調(diào)理電路負(fù)責(zé)接收換能器傳來的電壓信號，經(jīng)穩(wěn)壓、放大、濾波、射極跟隨后，將信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合A/D轉(zhuǎn)換的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。FPGA將讀取到的A/D量化后的數(shù)據(jù)存入內(nèi)部FIFO中，并將數(shù)據(jù)最終寫入Flash。RS-232串口用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與PC機(jī)的通信功能，以便將Flash中存儲的數(shù)據(jù)傳給計算機(jī)進(jìn)行處理。

A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADI公司的AD9224，其轉(zhuǎn)換精度為12 bit，最高采樣率可達(dá)40 MSPS。FPGA采用Altera公司的EP1C6Q240C8，內(nèi)部邏輯單元可達(dá)到200 60個，RAM可達(dá)到288 KB，擁有240個管腳，最大I/O數(shù)目為185。Flash采用SAMSUNG公司的K9WAG08U1A芯片，外部接口速度為 40 MHz，接口寬度 8 bit，存儲容量為 2 GB。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換電路

水聲信號在傳播過程中衰減得非常嚴(yán)重，換能器接收到的水聲信號往往比較微弱，一般為μV級信號，不適合A/D轉(zhuǎn)換器直接采樣。因此，必須先經(jīng)過信號調(diào)理電路的處理[1]。信號調(diào)理電路能夠?qū)δ繕?biāo)信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?、濾波，并將單端輸入信號變?yōu)椴罘中盘柼峁┙oA/D轉(zhuǎn)換器，以減少偶次諧波的產(chǎn)生。

圖2 信號調(diào)理模塊框圖

2.2 Flash存儲電路

Flash芯片的數(shù)據(jù)與控制引腳均與FPGA相連，由于FPGA沒有數(shù)據(jù)總線和地址總線，因此只能利用FPGA的一般I/O口來模擬總線。此外，還需要使用FPGA的一般I/O口與Flash芯片的控制相連，通過編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。圖3為Flash芯片與FPGA的連接情況。

由于Flash是按頁存儲數(shù)據(jù)的，當(dāng)寫完一頁后，要重新寫入下一頁地址。因此，為保證采集到的數(shù)據(jù)能及時存入Flash，而不至于在頁與頁的交替間丟失，本系統(tǒng)設(shè)計了FIFO用于數(shù)據(jù)緩存。AD9224的采樣精度為12 bit，F(xiàn)lash的存儲位寬為8 bit，F(xiàn)lash需2 B存放一幀數(shù)據(jù)，低8 bit存儲低8 bit數(shù)據(jù)，高 4 bit加補(bǔ)充碼存儲高 4 bit。另外，在FPGA內(nèi)設(shè)計了專門的地址發(fā)生器，以便于合理分配Flash的存儲空間。

圖3 FLASH芯片與FPGA接口電路

2.3 RS-232串口電路

在串行通信中，普遍采用的是RS-232[2]接口標(biāo)準(zhǔn)，該模塊主要由FPGA串口模塊、MAX3232和DB9組成，具體連接如圖4所示。圖中左邊為EIA RS-232-C連接器DB9，與計算機(jī)串口相連，右邊 TXD、RXD與FPGA中的UART模塊相連，MAX3232為電平轉(zhuǎn)換芯片，完成EIA RS-232-C正、負(fù)電壓邏輯電平與TTL以高、低電平間的轉(zhuǎn)換。

圖4 RS-232串口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)主要軟件設(shè)計包括FIFO、UART及Flash的讀、寫和擦除控制。開發(fā)工具為Altera公司的QuartusII 7.2，開發(fā)語言為 VHDL[3]。

3.1 FIFO緩存程序設(shè)計

FIFO是一個帶有控制邏輯模塊的先進(jìn)先出存儲隊(duì)列，控制邏輯模塊能管理讀寫指示器，產(chǎn)生狀態(tài)標(biāo)志。FIFO將前端傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，有效解決了速率匹配、數(shù)據(jù)緩沖和總線匹配等芯片間的通信問題。在本系統(tǒng)中，對Flash芯片寫控制字和寫數(shù)據(jù)都需要一定時間，F(xiàn)IF0容量的大小應(yīng)大于該時段內(nèi)所能送來的最多數(shù)據(jù)量，以免堆棧溢出，造成數(shù)據(jù)丟失。本設(shè)計采用的緩存為異步FIFO，數(shù)據(jù)位寬12 bit，存儲深度512 bit。圖5為QuartusII環(huán)境下FIFO的仿真結(jié)果。

3.2 通用異步收發(fā)器程序設(shè)計[2]

通用異步收發(fā)器(UART)用于計算機(jī)和RS232接口間的串行通信，主要由接收模塊和發(fā)送模塊組成，兩模塊均采用狀態(tài)機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。

接收模塊的功能是將外部傳來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，存儲到內(nèi)部FIFO中。當(dāng)數(shù)據(jù)線RXD由邏輯1變?yōu)檫壿?時，數(shù)據(jù)傳送開始。為防止誤判，接收時鐘設(shè)為波特率時鐘的16倍，起始位至少要保持8個周期的低電平，才算采集到數(shù)據(jù)。起始位后面為數(shù)據(jù)位和停止位，每16個時鐘周期采集1 bit數(shù)據(jù)。

接收狀態(tài)機(jī)由 R_start(等待起始位)、R_center(求中點(diǎn))、R_wait(等待采樣)、R_sample(采樣)和 R_stop(停止位)5個狀態(tài)組成，圖6為UART接收狀態(tài)機(jī)狀態(tài)圖。

圖6 UART接收狀態(tài)機(jī)狀態(tài)圖

Rsync為數(shù)據(jù)位RXD的同步信號，沒有數(shù)據(jù)時，接收機(jī)一直處于R_start狀態(tài)，Rsync為邏輯1。當(dāng)Rsync變?yōu)檫壿?0后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入 R_center狀態(tài)，通過 Rcnt計數(shù)到“1000”，尋找到起始數(shù)據(jù)中點(diǎn)，緊接著轉(zhuǎn)到 R_wait狀態(tài)，Rcnt清零。待 Rcnt再次計數(shù)到“1110”時，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入R_sample狀態(tài)采集第一位數(shù)據(jù)，并將該位數(shù)據(jù)存入移位寄存器，接著采集下一位數(shù)據(jù)。Rbitcnt用于判斷采集到數(shù)據(jù)的位數(shù)，Rbitcnt不等于Framelen設(shè)定的初始常數(shù)值(數(shù)據(jù)位數(shù) 8)時，繼續(xù)采集。否則，進(jìn)入 R_stop狀態(tài)，將移位寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)送入FIFO，結(jié)束本幀數(shù)據(jù)的采集，等待下一幀數(shù)據(jù)的到來。

發(fā)送模塊的功能則是將FPGA內(nèi)部傳送來的字節(jié)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，傳給PC機(jī)，該模塊產(chǎn)生的串行數(shù)據(jù)與接收模塊串行數(shù)據(jù)應(yīng)具有相同的幀格式。發(fā)送模塊由X_idle(空 閑)、X_start(起 始 位)、X_wait(移 位 等 待)、X_shift(移位)和 Xsop(停止位)5個狀態(tài)組成，圖 7為 UART發(fā)送狀態(tài)機(jī)狀態(tài)圖。

復(fù)位狀態(tài)下，UART處于X_idle狀態(tài)，當(dāng)接到發(fā)送命令Xcmd后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入X_start狀態(tài)。在此狀態(tài)下，UART給TXD發(fā)送16個時鐘周期的邏輯0作為起始位，而后轉(zhuǎn)入 X_wait狀態(tài)。X_wait、X_shift的原理與發(fā)送模塊相似，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換。X_stop用于產(chǎn)生停止位1，停止位傳送完畢后，狀態(tài)機(jī)回到X_idle狀態(tài)，等待下一轉(zhuǎn)換命令的到來。

圖7 UART發(fā)送狀態(tài)機(jī)狀態(tài)圖

3.3 Flash讀、寫、擦除程序設(shè)計

Flash的基本操作[5]主要有：讀操作、頁編程操作和塊擦除操作，各種操作必須按順序?qū)懭胂鄳?yīng)的命令才能順利執(zhí)行。圖8是Flash三種基本操作的流程圖。

圖8 Flash三種基本操作流程圖

Flash的編程是以頁為單位的。首先寫入80h，緊接著寫入5個地址，然后把一頁2 112個數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)寄存器，再寫入70h命令，啟動讀狀態(tài)寄存器，讀取寄存器值，如bit0=0的表示編程成功，為1則表示編程失敗。

Flash的擦除操作是以塊為單位的。先寫入60h命令，載入3個地址周期，再寫入D0h命令，啟動當(dāng)前塊的擦除操作。當(dāng)擦除完成后，寫入70h命令，啟動讀狀態(tài)寄存器，讀取寄存器值，如bit0=0，則表示擦除成功，為 1則表示擦除失敗。

Flash在讀操作時，首先將00h寫入到命令寄存器，緊接著寫5個地址周期和30h命令，即可讀取相應(yīng)地址單元的數(shù)據(jù)。

由于在每一片K9WAG08U1A中都包含有少量的不能進(jìn)行讀寫的無效塊，因而，對K9WAG08U1A開始讀寫操作之前，必須把無效塊檢測出來，形成無效塊信息列表，并存放在FPGA內(nèi)。SAMSUNG公司確保每個無效塊的第1頁或第2頁的第2 048列地址處會有非FFh的數(shù)據(jù)存在。因此，可以讀取每塊第1頁或第2頁的第2 048列地址處數(shù)據(jù)，若不為FFh，則本塊為無效塊，需要標(biāo)記出來。建立Flash壞塊信息列表如圖9所示。

本文介紹了一種基于FPGA的水聲信號數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)，對系統(tǒng)硬件電路和軟件設(shè)計都進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)既可以對現(xiàn)場信號進(jìn)行采集，又可對采集到的信號進(jìn)行回放，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)室調(diào)試和水池實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)工作正常。該系統(tǒng)利用蓄電池工作，存儲容量大，適用于水下微弱信號的采集處理，且通道數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，前景廣闊，值得推廣。

圖9 Flash壞塊檢查流程圖

[1]趙志剛.舷側(cè)陣主、被動自導(dǎo)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[2]王彥.基于 FPGA的工程設(shè)計與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[3]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[4]楊夏，王平等.基于 FPGA的簡化 UART電路設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2008，24(23)：226-227.

[5]劉加奎.高速大容量存儲系統(tǒng)設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2008.