一种基于FPGA+DSP构架的高速数据记录系统的构建方法

摘要

一种基于FPGA+DSP架构的高速数据记录系统的构建方法，包括以下五个步骤；步骤一：记录系统初始化及自检；步骤二：原始数据采集；需要采集的数据分为3个部分：1.AD芯片MAX1270采集的参考电压；2.485通信接口端传输原始数据信号；3.GSP守时、星历信息等数据；步骤三：DSP核心控制芯片写入主函数，控制系统流程；步骤四：FPGA核心控制芯片控制FLASH存储芯片实现数据存储；步骤五：PC端测控软件实现数据读取分析；数据记录系统在未连接PC的情况下完成数据记录，之后通过USB接口与PC连接，通过PC端测控软件将数据存储为Excel格式的表格，便于对数据进行分析。

主权项

一种基于FPGA+DSP架构的高速数据记录系统的构建方法，该构建方法的实施是基于FPGA+DSP架构的高速数据记录系统，该系统包括：PC端测控软件、FPGA核心控制芯片、DSP核心控制芯片、电源芯片、FLASH存储芯片、USB通信芯片、HDLC协议通信芯片、AD芯片和GPS通信子板；FPGA核心控制芯片控制数据上传时PC通信的USB模块，与DSP核心控制芯片通信时的缓存模块，FLASH存储芯片的读写模块，GPS通信子板的控制，以及HDLC协议通信芯片发送、接受数据模块；DSP核心控制芯片控制数据传输记录模式下的系统自检，模拟量数据采集模块，以及与FPGA核心控制芯片的通信模块；电源芯片与各芯片连接，提供整个系统工作所需的电压；所述PC端的测控软件用VC进行设计，它完成的工作是在硬件系统与PC通信时，在PC端显示出数据，便于进行分析；所述FPGA核心控制芯片是XC5VLX50T，负责数据上传时PC通信的网口模块，与DSP通信时的缓存模块，FLASH存储芯片的读写模块，GPS子板控制，以及HDLC通信协议发送、接受数据模块；所述DSP核心控制芯片是TMS320F2812，负责数据传输记录模式下的系统自检，模拟量数据采集模块以及与FPGA核心控制芯片的通信；在此数据记录系统中，DSP核心控制芯片的外部接口有电平采集接口、GPS数据传输接口、以及与FPGA核心控制芯片的数据及地址接口；而DSP核心控制芯片与FPGA核心控制芯片之间的连接使用EMIF A接口；所述电源芯片是PTH05000芯片，提供‑0.6～10V的输出电压，该电源芯片提供整个系统工作所需的电压；所述FLASH存储芯片是K9F8G08U0M芯片，通过对使能、控制管脚的电平变化实现对FLASH芯片的读写操作，FLASH存储芯片负责数据的存储，通过FPGA核心控制芯片进行控制，便于进行试验后分析；所述USB通信芯片是EZ‑USB FX2芯片CY7C68013作为连接二者的设备芯片；CY7C68013为USB2.0协议，分为端口、GPIF和Slave FIFO三种工作方式；在系统与PC连接时，用户从PC环境界面向系统发送指令，进行命令装订或者对已存数据的查找、读取、擦除；所述HDLC协议通信芯片是AMS2486，该芯片的RS‑485差分电平特性完成系统设计的与外设的连接与通信；所述AD芯片是MAX1270AEAI；本系统需要对5路电压进行采集检测，来判定系统是否工作正常，此功能通过FPGA核心控制芯片控制的AD芯片来实现，该MAX1270芯片能采集8路模拟信号；所述GPS通信子板是OEMStar，它是一款高性能低成本的GNSS接收板卡，其采用RHCP极化方式；其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：记录系统初始化及自检；系统设备加电开机后，系统自动把FPGA核心控制芯片和DSP核心控制芯片的加载FLASH里的程序加载到相应的控制芯片中，使核心芯片完成初始化；DSP核心控制芯片端是配置各个寄存器，包括总线控制寄存器、中断寄存器，以保证DSP的正常运转；FPGA核心控制芯片也将DSP核心控制芯片对应管脚进行配置，同时将DSP核心控制芯片的输出时钟作为本地的全局时钟，供该芯片工作；FPGA核心控制芯片控制自检命令判定，测控评估设备发送自检命令后通过HDLC接口发送到前段设备，前段设备通过系统自检后会向测控评估设备发送信号，数据记录系统确认系统自检完成后，点亮自检指示灯；FPGA核心控制芯片控制装订地址码，用户通过拨动拨码开关选择所需地址，FPGA核心控制芯片接收到地址指令后，通过HDLC接口对接收机系统地址进行装订，接收机装订完毕后返回信息到数据记录系统，系统通过FPGA核心控制芯片点亮对应地址指示灯；FPGA核心控制芯片控制天线选择功能，通过拨码开关选择天线地址，通过FPGA核心控制芯片程序对系统选择天线进行配置，同时点亮天线选择指示灯；FPGA核心控制芯片控制指令切换功能，通过拨码开关对下行线切换指令进行选择，选择完成后点亮相对应指示灯显示指令状态；用户使用拨码开关对设备进行设置时，设备只在上电时读取一次拨码状态，设备在正常工作时将不再读取拨码状态，直到系统工作完毕；步骤二：原始数据采集；需要采集的数据分为3个部分：1)AD芯片MAX1270采集的参考电压2)485通信接口端传输原始数据信号3)GSP守时、星历信息数据；其中，AD采集电压的数据和GPS数据直接进入FPGA核心控制芯片进行后续处理，而4通信端口传输过来的数据则是经过HDLC协议通信芯片，转换为满足协议要求的485格式数据，传输进入FPGA核心控制芯片进行后续处理；485接口实现数据记录设备与前端产生数据设备通信，与FPGA核心控制芯片进行通信的485信号需要经过DS96F174/175ME芯片进行电平转换；设备与应答机的通信由FPGA核心控制芯片控制，包括发送自检命令、应答机状态装订、下行数据发送、应答数据接收；此外，这些命令采用HDLC协议发送和接收，这个协议转换过程通过FPGA核心控制芯片完成；HDLC接口传递速率为4Mbps，采用与接收机相同速率，以实现相互通信；DS96F174/175ME芯片是为RS485通信协议设计的低电压电平转换芯片，将普通电平转换成485协议工作电平；FPGA核心控制芯片接收和发送485信号时，首先要经过一个光耦合器件进行电气性能隔离，光耦合器件选用HCPL‑5631，这两款光耦器件是由GaAsP发光二极管和一个集成的高增益光检测器构成的光电耦合器件，检测芯片输出是一个集电极开路的肖特基钳位晶体管，其内部屏蔽提供15千伏/μs的共模瞬态抗扰度；基于FPGA核心控制芯片实现的HDLC协议通信芯片包括发送和接收两个模块，发送端首先发送标志字0x7E，因为双方开机时间不同，为了避免丢失数据，标志字重复复数次，然后将待发送的并行数据进行并/串转换，同时系统自动完成CRC编码、“0”比特插入HDLC协议要求功能，再将处理后数据按同步串行传输方式发送；接收端接收同步串行数据，然后由系统自动完成标志字的检测、去“0”及CRC校验，在将同步串行数据转换成8位并行方式输出，整个系统采用同一个全局时钟；系统具有自动校准时间的功能；在没有接收到GPS信号时，系统中DS3231芯片会提供一个基准的时钟，当有GPS信号时，会对FPGA核心控制芯片和芯片时钟进行校时；对于DS3231的时钟控制与校准，都是在FPGA核心控制芯片中完成，实现控制ds3231芯片的时序，能够将校时时间由并行时间转换为串行时间写入ds3231中，并读取ds3231时间，由串行数据转化为并行数据；步骤三：DSP核心控制芯片写入主函数，控制系统流程；结合DSP核心控制芯片的定点、浮点运算能力强，代码开发简单的特点，针对本系统的实际应用指标要求，对于预存数据的装订比较、对接收数据的运算分析工作均在DSP核心控制芯片中完成；相比较与FPGA核心控制芯片，由DSP核心控制芯片完成此功能使得程序的可读性更强，系统修改、升级、适用性更加广泛；DSP核心控制芯片主要功能是实现与PC通信，检测PC端测控软件相应命令；测控单元DSP核心控制芯片程序的工作流程大致如下所示：a.上电启动DSP核心控制芯片；b.初始化DSP核心控制芯片及FPGA核心控制芯片各寄存器，查找FLASH数据尾地址，作为本次写入数据的起始地址；c.进入主函数循环，循环检测是否有来自PC机下发的命令以及由SCI口发送的指令；d.检测到PC机发送查找最新位置命令之后，则查询最新一次写入FLASH的首位地址并将该信息上传至PC机；e.检测到PC机发送读取数据命令之后，则读取FLASH芯片中相应地址的数据并上传至PC机；f.检测到PC机发送擦除FLASH命令之后，则擦除FLASH芯片中的所有数据，并将数据起始地址设为FLASH芯片首地址，完成擦除操作后向PC机发送擦除完毕命令；g.查询SCI接口是否有数据，若有，则获取数据；h.根据SCI发送的数据帧命令字分类处理处理数据帧，提取其中有效数据存储于FLASH芯片中；i.测控单元断电，跳出主循环，程序结束；首先，主函数完成对DSP核心控制芯片内部及其外接器件的初始化配置，包括FLASH、GPS和SCI接口器件，其中DSP核心控制芯片刚上电时，对FLASH存储芯片先进行一次遍历，查询得到数据结尾并记录，作为后续写入数据的起始地址，同时读取坏块地址并记录；将GPS数据清零，并重置GPS标志，读取外部拨码设置并相应设定GPS更新频率；初始化SCI接口则包括设置数据停止位及异步传输方式、读取外部拨码设置并相应设置数据传输波特率；步骤四：FPGA核心控制芯片控制FLASH存储芯片实现数据存储；FLASH存储芯片控制在PFGA核心控制芯片端的FLASH模块中实现；在此模块中，FLASH控制函数主要包括读取FLASH函数、写入FLASH函数、擦除FLASH函数以及查找FLASH坏块函数；在主函数中通过调用这些函数来完成对应功能；其中读取FLASH函数和写入FLASH函数分别通过配置FLASH读写寄存器之后将数据读取或写入FLASH存储芯片中；而擦除FLASH函数则完成将FLASH存储芯片中指定块地址的数据进行擦除的功能；查找FLASH坏块函数则通过遍历FLASH存储芯片的坏块标志来查找FLASH中坏块并记录其地址；步骤五：PC端测控软件实现数据读取分析；数据记录系统在未连接PC的情况下完成数据记录，之后通过USB接口与PC连接，通过PC端测控软件将数据存储为Excel格式的表格，便于对数据进行分析。