0 引言

　　近年來，隨著航天航空事業(yè)的不斷進(jìn)步，新型的航天產(chǎn)品(如新一代航天器、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星及航天飛機(jī)等)已逐漸問世并向著自動化、智能化的方向發(fā)展，其系統(tǒng)構(gòu)成也變得多元化，對于研究和探索這些先進(jìn)的技術(shù)所需要采集的參數(shù)不斷增加，因而對于數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的存儲容量、速度、質(zhì)量、便攜性及抗沖擊能力的要求也在不斷提高[1]。高速數(shù)據(jù)存儲設(shè)備不僅在航天產(chǎn)品中扮演重要的角色，在民用航空飛機(jī)上也是必不可少的一部分，如飛行數(shù)據(jù)記錄器等[2]。

　　為了滿足飛行數(shù)據(jù)記錄器的高速數(shù)據(jù)存儲需求，本文采用FPGA與DSPIC30F6014A單片機(jī)相結(jié)合的方式對數(shù)據(jù)記錄器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。這種記錄器既充分發(fā)揮了FPGA并行讀寫大容量Flash數(shù)據(jù)的能力，也充分利用了DSP-IC30F6014A單片機(jī)的單指令周期和并口讀寫方式等優(yōu)越性能，通過結(jié)合高速文件管理芯片CH378和大容量Flash芯片，從而實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的高速U盤存儲功能。這種設(shè)計(jì)方法可以有效地提高U盤讀寫數(shù)據(jù)的速度，避免了數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，并減小了設(shè)備的體積，對體積小、成本低、速度高的飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

1 記錄器總體設(shè)計(jì)方案

　　高速數(shù)據(jù)記錄器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要框圖如圖1所示，主要由現(xiàn)場可編程器件FPGA、DSPIC30F6014A單片機(jī)、USB接口控制芯片CH378、U盤、數(shù)據(jù)存儲芯片F(xiàn)lash和高速串行數(shù)據(jù)總線422等模塊組成。

　　整個(gè)系統(tǒng)工作過程：首先高速串行數(shù)據(jù)經(jīng)過422總線傳輸給FPGA，然后FPGA對高速數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換和編幀處理，通過控制Flash實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的大容量緩存功能，并將緩存的數(shù)據(jù)經(jīng)過并口與DSPIC30F6014A進(jìn)行通信，最后利用DSPIC30F6014A接收來自FPGA的數(shù)據(jù)并通過控制CH378將數(shù)據(jù)存儲到U盤中。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 FPGA控制模塊

　　為了解決傳統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)直接由單片機(jī)作為主控制芯片造成的數(shù)據(jù)丟失問題，本設(shè)計(jì)選用FPGA作為高速數(shù)據(jù)的緩存控制芯片，以提高系統(tǒng)的可靠性。其中FPGA選用Xilinx公司Spartan-3E系列芯片XC3S500E，該芯片具有功耗低、資源豐富、高性能等特點(diǎn)，其I/O口兼容多種電平標(biāo)準(zhǔn)，有助于與單片機(jī)連接通信。內(nèi)部多達(dá)360 Kbit的Block RAM，可配置為雙端口RAM，添加必要的控制模塊構(gòu)成高速異步FIFO，為數(shù)據(jù)的寫入及讀取提供足夠的緩沖空間。同時(shí)，它具有4個(gè)時(shí)鐘管理單元，可方便對FPGA的主頻分頻或倍頻，產(chǎn)生不同模塊所需的時(shí)鐘信號，并能夠保證這些時(shí)鐘信號精確穩(wěn)定。

　　2.2 DSPIC30F6014A控制模塊

　　系統(tǒng)選用了高性能的DSPIC30F6014A單片機(jī)作為U盤數(shù)據(jù)存儲部分的主控制芯片，該單片機(jī)為單指令周期，采用哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，功耗低，驅(qū)動能力強(qiáng)，并且I/O端口功能強(qiáng)大，其與外部接口交換數(shù)據(jù)的效率非常高[3]。內(nèi)部有8 KB的片內(nèi)RAM，能夠作為高速數(shù)據(jù)的緩存區(qū)，其與FPGA和CH378之間的通信都是通過8位并口的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，能夠很大程度地提高讀寫數(shù)據(jù)的速度。其中DSPIC30F6014A與FPGA的連接示意圖如圖2所示。

　　2.3 CH378模塊

　　CH378能夠成為U盤記錄器首選的U盤接口芯片，是因?yàn)樵撔酒哂斜菴H376更高的通信速度[4]，其可實(shí)現(xiàn)12 Mb/s全速通信和480 Mb/s高速通信；且在硬件連接方面，提供了高速8位被動并行接口，可直接掛接在單片機(jī)等處理器的數(shù)據(jù)總線上。其中CH378與DSPIC30F6014A單片機(jī)及U盤的部分引腳連接圖如圖3所示。將TXD引腳接GND,其余引腳懸空，使得CH378被配置為8位并口通信接口。8位并行數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的RD口連接，CH378的WR#引腳、RD#引腳、PCS#引腳和A0引腳分別與單片機(jī)的RC4～RC1引腳相連，實(shí)現(xiàn)8位并口通信接口連接。

　　2.4 Flash模塊

　　大容量Flash選取了三星公司的NAND Flash K9M-DG08U5M，其內(nèi)部組織形式為16 G×8 bit，即容量為16 GB，與U盤的存儲容量相當(dāng)，足以滿足海量數(shù)據(jù)緩沖所需的空間；供電電壓與FPGA的供電電壓相同，避免了為其單獨(dú)設(shè)計(jì)電源的麻煩；有8位數(shù)據(jù)引腳(D7～D0)、片選引腳(CS#)、命令鎖存引腳(CLE)、地址鎖存引腳(ALE)、寫控制引腳(WE)、讀控制引腳(RE)、Flash狀態(tài)引腳(R/B#)、電源及地引腳等，與FPGA的連接非常方便，只需FPGA分配相應(yīng)的引腳與Flash連接即可。

3 記錄器軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由FPGA和DSPIC30F6014A兩大主控部分組成，其中采用VHDL語言對FPGA的程序進(jìn)行編寫，其主要實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的接收和處理、Flash數(shù)據(jù)讀寫控制以及與DSPIC30F6014A進(jìn)行通信等功能；單片機(jī)的程序利用C語言進(jìn)行描述，主要完成對CH378的控制、與FPGA的通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

　　3.1 FPGA模塊程序設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)在存儲時(shí)是按照一定的幀格式進(jìn)行存儲的，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幀格式如表1所示，每一幀數(shù)據(jù)由4 089 B數(shù)據(jù)、4 B幀標(biāo)志和3 B幀計(jì)數(shù)組成，其中幀標(biāo)志分別為BEH、90H、數(shù)據(jù)流標(biāo)識（第一路數(shù)據(jù)為11H，第二路數(shù)據(jù)為22H）和一個(gè)固定位00H。幀計(jì)數(shù)為3個(gè)字節(jié)表示，依次先為低位后為高位。

　　FPGA的主要工作流程圖如圖4所示，F(xiàn)PGA接收來自422總線接口的串行數(shù)據(jù)，并對兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換以及按照一定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行編幀處理，之后將編幀處理的數(shù)據(jù)存入寫FIFO中，判斷寫FIFO半滿標(biāo)志位WR_FIFO_HF是否為高電平。若為高電平則開始往Flash中寫入數(shù)據(jù)，等到寫完一頁數(shù)據(jù)后，開始檢測單片機(jī)的讀數(shù)據(jù)信號是否有效。若有效，將由Flash數(shù)據(jù)讀寫控制模塊讀取Flash中的數(shù)據(jù)，并暫存在讀FIFO,由單片機(jī)讀取讀FIFO中的數(shù)據(jù)。

　　3.2 DSPIC30F6014A模塊程序設(shè)計(jì)

　　DSPIC30F6014A程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電后，首先單片機(jī)復(fù)位。然后由單片機(jī)向CH378發(fā)送硬件連接測試命令CMD_CHECK_EXIST(06H)，接著發(fā)送數(shù)據(jù)55H，若硬件連接正常，應(yīng)由CH378返回?cái)?shù)據(jù)AAH，否則說明硬件連接不正?；騿纹瑱C(jī)不工作。測試到CH378連接正常后，初始化CH378，并設(shè)置工作模式為USB主機(jī)方式，然后檢測U盤是否連接，如果U盤成功連接并已檢測到，則對U盤進(jìn)行初始化。初始化成功后，創(chuàng)建文件，檢測FIFO讀半滿標(biāo)志位是否為1，若為1則將FPGA的讀FIFO中的數(shù)據(jù)通過DSPIC30F6014A的控制以字節(jié)方式寫入U(xiǎn)盤文件，數(shù)據(jù)讀取完畢后結(jié)束操作。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果及分析

　　由于U盤的寫數(shù)據(jù)速度會受到U盤的質(zhì)量、單片機(jī)的性能等一些因素的影響，因此為了最大程度地提高數(shù)據(jù)記錄器處理數(shù)據(jù)的速度，在具體應(yīng)用之前，對一些性能進(jìn)行了測試，通過分別往USB2.0和USB3.0的U盤中以字節(jié)方式一次性寫入100 MB的數(shù)據(jù)(其中分別選用單片機(jī)的RAM的2 KB、5 KB和7 KB作為數(shù)據(jù)的緩存區(qū))，得到了表2的U盤寫數(shù)據(jù)測試結(jié)果。結(jié)果表明，選用RAM為7 KB并結(jié)合USB3.0的U盤可以極大限度地提高數(shù)據(jù)記錄器處理數(shù)據(jù)的速度。

　　實(shí)驗(yàn)及調(diào)試過程中，采用以FPGA為控制核心，產(chǎn)生波特率均為460.8 kb/s的422總線串行數(shù)據(jù)作為模擬數(shù)據(jù)源。為了便于分析，數(shù)據(jù)采用遞減的鋸齒波。數(shù)據(jù)存儲完畢后，通過計(jì)算機(jī)讀取U盤中的數(shù)據(jù)，由上位機(jī)軟件對文件進(jìn)行分析和繪圖顯示，圖6為數(shù)據(jù)波形整體圖，圖7為波形拉伸放大后的波形，從圖6和圖7中可以看出波形穩(wěn)定，并無明顯丟數(shù)現(xiàn)象。

　　將讀出的數(shù)據(jù)在UltraEdit中打開，如圖8所示，并沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤并且數(shù)據(jù)幀格式正確，說明本電路具有可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸性能。

5 結(jié)論

　　為了滿足目前飛行數(shù)據(jù)記錄器對數(shù)據(jù)的大容量和高速存儲的需求，文中提出了一種基于FPGA和DSPIC-30F6014A的數(shù)據(jù)記錄器設(shè)計(jì)方法，并對數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)盤的速度進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，高速串行數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)記錄器的一系列處理后，最后以并行數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)SB3.0 U盤的速度可達(dá)到314 KB/s，并且通過上位機(jī)分析得知數(shù)據(jù)存儲可靠，并無數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。該設(shè)備還具有設(shè)備體積小、成本低和便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，很大程度緩解了數(shù)據(jù)存儲的壓力，具有很廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 王偉，費(fèi)益.民用飛機(jī)飛行記錄系統(tǒng)研究[J].電光與控制，2013，20(3)：73-74.

　　[2] 盧艷軍，牛闖，張曉東.新型通用飛機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的研究[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，31(1)：82-83.

　　[3] 王中華，郭改枝，王筱凱.基于DSPIC30F處理器的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41(6)：620-621.

　　[4] 蔡雪佳，周征翰，伍郁韓.基于USB-Host的大容量數(shù)據(jù)采集方案研究[J].電子設(shè)計(jì)工程.2011，19(16)：1-3.