隨著信息科學的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和存儲技術(shù)廣泛應(yīng)用于雷達、通信、遙測遙感等領(lǐng)域。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)需要存儲在存儲器 中，再進行相應(yīng)的處理，保證快速準確的數(shù)據(jù)傳輸處理是實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的一個關(guān)鍵。由于高速ADC的轉(zhuǎn)換率很高，而大容量RAM相對ADC輸出速度較慢， 保持高速數(shù)據(jù)存儲過程的可靠性、實時性是一個比較棘手的問題。對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的大容量高速度數(shù)據(jù)存儲、傳輸，本文提出一種基于FPGA的多片RAM實 現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的存儲和傳輸?shù)姆桨福?yīng)用于1GS/s數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，實現(xiàn)了以低成本RAM完成高速實時數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的設(shè)計。

方案選擇

高速的數(shù)據(jù)采集速度是保證數(shù)據(jù)采集精度的標準，但往往在數(shù)據(jù)處理時并不需要以同樣的速度來進行，否則對硬件的需求太高，成本也較高。這就需要有一個數(shù)據(jù)緩存單元，將數(shù)據(jù)有效地存儲，再根據(jù)系統(tǒng)需求進行數(shù)據(jù)處理。

通常構(gòu)成高速緩存的方案有三種。第一種是FIFO(先進先出)方式。FIFO存儲器就像數(shù)據(jù)管道一樣,數(shù)據(jù)從管道的一頭流入，從另一頭流 出，先進入的數(shù)據(jù)先流出。FIFO具有兩套數(shù)據(jù)線而無地址線，可在其一端寫操作而在另一端讀操作，數(shù)據(jù)在其中順序移動，因而能夠達到很高的傳輸速度和效 率，且由于省去了地址線而有利于PCB板布線。缺點是只能順序讀寫數(shù)據(jù)，不易靈活控制，而且大容量的高速FIFO非常昂貴。

第二種是雙口RAM方式。雙口RAM具有兩套獨立的數(shù)據(jù)、地址和控制總線，因而可從兩個端口同時讀寫而互不干擾，并可將采樣數(shù)據(jù)從一個端口 寫入，而由控制器從另一個端口讀出。雙口RAM也能達到很高的傳輸速度，并且具有隨機存取的優(yōu)點，缺點是大容量的高速雙口RAM的價格很昂貴。

第三種是高速SRAM切換方式。高速SRAM只有一套數(shù)據(jù)、地址和控制總線，可通過三態(tài)緩沖門分別接到A/D轉(zhuǎn)換器和控制器上。當A/D采 樣時，SRAM由三態(tài)門切換到A/D轉(zhuǎn)換器一側(cè)，以使采樣數(shù)據(jù)寫入其中。當A/D采樣結(jié)束后，SRAM再由三態(tài)門切換到控制器一側(cè)進行讀寫。這種方式的優(yōu) 點是SRAM可隨機存取，同時較大容量的高速SRAM有現(xiàn)成的產(chǎn)品可供選擇。

從降低成本上考慮，采用第三種方式實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲功能。結(jié)合1GS/s數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，存儲深度為4MB。選擇ISSI公司的靜態(tài)RAM，由8片IS61LV25616構(gòu)成4MB測試數(shù)據(jù)的存儲，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  數(shù)據(jù)存儲原理框圖

數(shù)據(jù)存儲設(shè)計

● 數(shù)據(jù)流控制

ADC為雙通道500MS/s的轉(zhuǎn)換率，8bit的垂直分辨率，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出是每通道I、Q兩個方向上差動輸出，在差動時鐘500MHz 的驅(qū)動下，可以實現(xiàn)1GS/s的實時采樣率，由ADC輸出的4路轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)流輸出分別為250MS/s。而IS61LV256系列RAM的速度級別為 10ns或12ns，這樣數(shù)據(jù)必須經(jīng)過FPGA進行緩存以后，才可以再次存入RAM。

IS61LV25616系列RAM芯片有16位數(shù)據(jù)線，18位地址寬度，同時還包括數(shù)據(jù)讀RD、寫WR及片選CS等控制信號。將8片RAM并行連接到FPGA上，組成數(shù)據(jù)采集的存儲單元。

將從ADC輸出AI[8...0]、AQ[8...0]、BI[8...0]、BQ[8...0]，每路信號都為LVDS輸出，共32位為 一組轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)DATA[31...0]，速率為250MS/s，要將這個速度在FPGA內(nèi)部降至RAM可接受的范圍。選用CycloneII系列 FPGA，其內(nèi)部時鐘可工作在402.5MHz，支持單端和高速差動標準I/O接口，對于250MS/s的數(shù)據(jù)流完全可以接收。利用FPGA內(nèi)部的D觸發(fā) 器作為緩沖，經(jīng)過4級緩沖之后分別得到DBO[127...0]，這樣數(shù)據(jù)速度降為62.5MS/s。經(jīng)過緩沖后的數(shù)據(jù)已經(jīng)在選用的RAM接受速度級別 內(nèi)，將得到128位的數(shù)據(jù)作為8片RAM的數(shù)據(jù)線，完成了數(shù)據(jù)流的控制。數(shù)據(jù)緩沖的原理如圖2所示。

圖2  數(shù)據(jù)緩沖設(shè)計

● 地址發(fā)生器設(shè)計

每次讀寫數(shù)據(jù)時，必須提供數(shù)據(jù)的存儲位置，以讀寫信號作為時鐘計數(shù)信號，順序產(chǎn)生地址信號，其中NWE是RAM的寫數(shù)據(jù)信號，NOE是讀數(shù) 據(jù)信號，二者都是低電平有效，選擇AB[17...0]作為RAM組的地址信號。CNTEN是地址計數(shù)器的使能信號，由讀取/寫入數(shù)據(jù)的深度決定，當未完 成讀取/寫入的數(shù)據(jù)時，CNTEN＝0，此時允許讀/寫操作繼續(xù)執(zhí)行；當讀/寫操作完成時，相應(yīng)的地址信號將CNTEN設(shè)置為1，則停止地址計數(shù)。地址發(fā) 生器的原理如圖3所示。

圖3  地址發(fā)生器設(shè)計

● 讀寫數(shù)據(jù)的設(shè)計

在設(shè)計好采集數(shù)據(jù)的地址發(fā)生單元后，接下來就是配合時序進行讀寫操作。

圖4是RAM的讀操作時序圖，從圖中可以看出，當指定待操作的地址后，設(shè)置芯片使能信號OE和片選使能信號CE有效，即可從數(shù)據(jù)線上讀出相應(yīng)地址內(nèi)的數(shù)據(jù)。

圖4  RAM的讀數(shù)據(jù)時序圖

對于單片RAM的操作比較簡單，但是要將數(shù)據(jù)順序?qū)懭?片RAM中，就要求對上一片RAM寫操作完成后，系統(tǒng)能夠設(shè)置下一個待操作的RAM 有效，128位數(shù)據(jù)線分別對應(yīng)8片RAM的數(shù)據(jù)線，由于地址線和讀寫使能線公用，則需要分別設(shè)置每個RAM的片選，以區(qū)別當前操作是針對哪一個RAM。片 選信號可以由譯碼器產(chǎn)生。讀操作時設(shè)置相應(yīng)RAM的片選有效，即可讀出存儲的數(shù)據(jù)，而進行寫操作時，則可以設(shè)置所有的RAM片選有效，將采集到的數(shù)據(jù)同時 并行的寫入8片RAM中。根據(jù)這些描述，片選信號的設(shè)計如圖5所示。NIOMD為操作的狀態(tài)信號，說明當前的操作是讀狀態(tài)或是寫狀態(tài)，讀數(shù)據(jù)情況下設(shè)置為 1，片選信號分別有效，寫數(shù)據(jù)情況下設(shè)置為0，所有RAM均處于片選有效狀態(tài)下，可以同時寫入數(shù)據(jù)。這樣的設(shè)計也是為了配合系統(tǒng)的需求，一般的，讀取數(shù)據(jù) 的速度相對于寫數(shù)據(jù)來說還是要快一些的。

圖5  RAM片選使能信號設(shè)計

仿真驗證

將上述設(shè)計方案整合后，配合其他控制信號的設(shè)計，就完成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲功能的設(shè)計。在QuartusII軟件中對上述設(shè)計進行波形 仿真，可以看到設(shè)置SET值及相應(yīng)的狀態(tài)控制信號，則在VDB端就可以按照CS指示的相應(yīng)的RAM芯片中順序讀出預(yù)先存入的數(shù)據(jù)。按照圖中所示的狀態(tài)寄存 器設(shè)置，讀取深度設(shè)置寄存器設(shè)置為最小值SET[4...1]＝000，即只讀每片RAM的首個存儲數(shù)據(jù)，則地址發(fā)生器的最高值為8，從圖中可以看到當?shù)?址發(fā)生器輸出值增加到8時，WE跳變?yōu)楦唠娖剑琑AM的讀使能無效。由于AB[3]＝1，使得CNTEN=1,地址發(fā)生器的計數(shù)時鐘使能無效，計數(shù)器停止 計數(shù)，完成一輪數(shù)據(jù)的讀取操作。讀數(shù)據(jù)仿真驗證結(jié)果如圖6所示。

圖6  讀數(shù)據(jù)仿真驗證

在圖6中，對于當前數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)串DB=0010，0011，1010，1110，1101，0011，1001，0111，片選信號 CS低電平有效，當CS=11011111時，即選中按順序由低位到高位計算的第6片RAM，此時對應(yīng)的在VDB上讀出的數(shù)據(jù)應(yīng)該為DB的第6個數(shù)據(jù)值， 即為1010。從波形方針圖上得到驗證。

結(jié)語

利用FPGA的內(nèi)部資源，設(shè)計靈活的邏輯控制，完成高速大容量數(shù)據(jù)采集的存儲和傳輸設(shè)計，本文提出的設(shè)計方案可以在選用低成本、操作簡單的 靜態(tài)RAM組的情況下，實現(xiàn)實時大容量數(shù)據(jù)存儲需求的一種設(shè)計方法，并在EDA軟件中進行了仿真驗證，成功地應(yīng)用在1GS/s數(shù)據(jù)采集模塊中。