基于FPGA的高速数据采集存储系统初步研究

摘 要 本设计主要是以FPGA为核心，把采集到的高速信号在硬盘中存储起来作为分析与处理后续的数据。这将具有很强的实用价值和广泛的应用前景。

【关键词】数据采集技术 系统设计 存储

数据采集技术既是是现代科学的一个重要分支，也是现代检测技术的必要基础。目前，数据采集系统在高速接口、器件发展的带动下，采集带宽在稳步提高，具有250MSPS采集能力以上的高速数据采集系统产品己较成熟。

1 硬件系统选择

本课题主要是实现数据的大量采集和存储，提供后续的数据分析和处理。

1.1 数据采集方法的选择

在数据采集系统中，基于单片机采集，基于DSP采集，基于ARM采集和基于FPGA采集是常用方案。

单片机的结构简单，操作方便，实现用户所需的各种功能只需简单的程序就能完成。ARM处理器是对一类微处理器的统称，其是32位设计，有16位指令集。DSP是通过数字信号来处理大量信息，是一种高速处理器。

FPGA是现场可编程门阵列，可以解决定制电路的不足，同时还突破了可编程器件门电路数的限制。

综合考虑，本设计决定采用核心芯片为单片FPGA。主要是FPGA在信号的采集、存储等功能的设计中具有可在线编程，处理速度快，I/O口密集，受环境影响小等优点。

1.2 采样定理选择

通过分析理论，为了能正确地观测波形，必须选择恰当的取样频率才能将得到的取样值序列恢复成原信号的波形。如果用2倍Nyquist频率采样2?m，要恢复原来的模拟信号就需要使用截止频率为?m的理想低通滤波器。假如采用大于2倍Nyquist频率作为采样频率，那么就可以放宽对低通滤波器对截止频率的要求。付出的代价是需要更高的采样率对于同样的输入信号采样，这就对ADC提出更高的要求，这时可以选择带通采样定理。

带通采样定理又叫IF采样、调和采样、下奈奎斯特采样和下采样等。实际中遇到的许多信号是带通型信号。这种信号的带宽往往远小于信号中心频率，若带通信号的上截止频率为 fH，下截止频率为fL， 这时并不需要抽样频率高于两倍上截止频率fH，可按照带通抽样定理确定抽样频率。本设计正好可以采用这个定理来完成设计。

1.3 数据存储方法的选用

本设计要求把采集到的数据传输到选取的硬盘中。IDE、SCSI、SATA与光纤硬盘是现在主要的硬盘种类。但是各种硬盘接口的连接速度都有着很大的差别。选取哪一种硬盘接口在整体的设计中直接影响着系统的性能。

IDE也是电子集成驱动器，俗称的并行规格PATA硬盘。它是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。它具有价格低廉、兼容性强、性价比高的优点，但是同时也具有数据传输速度慢、线缆长度过短、连接设备少的缺点，这也极大的限制了其传输速度的提高。SCSI接口是一个通用接口，在SCSI母线上可以连接主机适配器和八个SCSI外设控制器，外设可以包括磁盘、磁带、CD-ROM、可擦写光盘驱动器、打印机、扫描仪和通讯设备等，它发展稳定。SATA接口需要硬件芯片的支持，不过这样也就会产生一些硬件性能的差异，并且驱动程序也比较繁杂。光纤通道接口的硬盘，拥有此接口的硬盘在使用光纤联接时具有热插拔性、高速带宽、远程连接等特点. 限制于其高昂的售价， 通常用于高端服务器领域。

通过比较，选择目前最主流的硬盘接口IDE，它还包括光储类的主要接口。再结合它的优点最后选择IDE硬盘接口。

2 研究设计

掌握FPGA芯片的相关原理，设计通过FPGA对数据进行高速采集并存储的实验。在搭建好硬件平台后，通过软件编程进行完成。

数据采集系统主要完成向计算机或相应的信号处理系统送入信号，计算和处理不同的需要。把模拟量采集转换成数字量后，利用计算机处理得到所需数据。同时，还可以对数据进行储存、显示和打印，来实现监视某些物理量的变化，其中一些数据还在生产过程中用作反馈控制量。

2.1 数据采集系统设计

在采集系统中主要包括告诉A/D模块和FGPA模块。通过高速A/D模块将采集的模拟数据转换为数字信号后送入FPGA模块进行处理。

2.2 数据存储的实现

IDE硬盘使用40芯的接口与主板连接。首先FPGA需要执行设备选择协议，然后FPGA需向DE接口写入命令参数，在一帧DMA数据传输完毕后执行终止操作。然后磁盘送出CRC校验结果，FPGA把两次结果进行比较，如果结果一致，表明数据传输是正确的，否则表示有发生错误。FPGA将发出命令重新传输上一帧数据。

3 整体设计

在本设计中还需进行总线设计，主要是对通道控制功能、使用方法、仲裁方法和传输方式的设计等。大致有四种：

（1）元件总线。元件总线是设计者在设计阶段必须考虑的问题，它是将电路板内各个元件的连接起来。

（2）片内总线设计。这种总线是把集成电路芯片内部各个功能单元的信息通路连接到一起。

（3）内部总线设计。内部总线可称为系统总线，是插件级别的板级总线。它主要是相互连接微型计算机的各个插件电路板。

（4）外部总线设计。这种总线又称通信总线，它主要连接微型计算机系统和其他仪器。可以用并行方式或串行方式来完成它们的通信联系。

4 结论

本设计主要是利用了FPGA芯片的特性。通过采用RAID0配置的磁盘阵列形式，在各种硬盘中选用合适的硬盘作为数据存储介质，再配合128MB内存作为板载实现数据的高速大容量稳定存储。最后进行数据分析，给出结论。

参考文献

[1]李鉴增，陈新桥.光纤传输与网络技术（第一版）[M].北京：中国广播电视出版社，2009.

[2]王辉，王平，于虹.光纤通信（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2009.

作者单位

中北大学 现代教育与技术中心 山西省太原市 030051