摘要

　　高速數據采集和回放系統在很多領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛的應用，如雷達系統、地震勘測、無(wú)損檢測、航空遙測等。隨著(zhù)信息科學(xué)的飛速發(fā)展，高速數據采集和回放系統的數據處理任務(wù)變得越來(lái)越繁重，其對于數據存儲的要求也越來(lái)越苛刻，需要既能支持數據的高速傳輸和非易失性存儲，又擁有海量數據存儲容量。

　　現有系統大多只具有單一的高速數據傳輸或非易失性海量數據存儲功能，無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足這些需求。

　　為了克服現有系統的不足，本文采用非易失性存儲器FLASH組成的陣列作為數據存儲器，設計了一個(gè)集成FLASH容錯算法的高速數據采集回放系統。

　　通過(guò)對各個(gè)電路模塊的有效控制，實(shí)現了高速數據采集和回放功能，同時(shí)可存;儲海量數據。另外，針對FLASH在數據存儲過(guò)程中因壞塊而引起的數據丟失問(wèn)題，本文在實(shí)現系統功能釣過(guò)程中提出一種FLASH容錯算法，實(shí)現了對FLASH壞塊的動(dòng)態(tài)檢測和管理，保證了數據存儲的準確性與安全性。

　　本文主要工作如下:

　　1.介紹了系統硬件方案，設計了系統FPHA固件邏輯架構，分析了系統設計的三大技術(shù)難點(diǎn)，包括FLASH陣列模塊與外圍模塊的交互設計、FLASH通用控制接口設計以及FLASH容錯算法的設計及實(shí)現。

　　2.設計并實(shí)現了高速數據采集功能，包括高速ADC模塊、FLASH陣列模塊、USB3.0上傳模塊和采集模式下FLASH陣列模塊與外圍模塊的交互。

　　3.設計并實(shí)現了高速數據回放功能，包括USB3.0下載模塊、高速DAC模塊和回放模式下FLASH陣列模塊與外圍模塊的交互。

　　4.設計并實(shí)現了FLASH容錯算法，包括FLASH壞塊檢測、邏輯一物理地址映射表的建立、動(dòng)態(tài)更新和動(dòng)態(tài)查詢(xún)等功能。

　　5.搭建了系統的軟硬件測試平臺，并進(jìn)行了大量測試實(shí)驗，測試結果表明，系統實(shí)現了數據的高速采集、回放和非易失性海量存儲等功能，FLASH容錯算法有效解決了壞塊管理問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞:數據采集，數據回放，FLASH, USB3.0, ADC, DAC

Abstract

　　High-speed data acquisition and playback systems are widely adopted in many fields, such as radar system; seismic survey, nondestructive testing,  aviation telemetry and so on- With the rapid development of information technology, the data processing task of the high-speed data acquisition and playback system is becoming more and more arduous, thus further, leads to an increasing demand for data storage capacity Hence, it is necessary to develop a system with massive data storage capacity that supports high-speed data transmission supported and guarantees non-volatile storage demand guaranteed. Most of the existing systems only have a single high speed data transmission or non-volatile mass data storage function, which can not meet these requirements at_the same time.

　　In this thesis, FLASH chip arrays play a role一of data metnorizer and a high-speed  data  acquisition’  and  playback  system  integrates  with  FLASH fault-tolerant algorithm is proposed to overcome the weakness of the existing systems. High-speed data acquisition and playback are accomplished with the effective control of each module and meanwhile it can store massive date. In addition, aiming at the problem of data loss caused by bad blocks of FLASH during data storage process, a FLASH fault-tolerant algorithm is also proposed, which realizes the detection and management of FLASH bad blocks and ensures the accuracy and security of data storageThe main work of this paper is organized as follows:

　　1. The hardware scheme of the system is introduced and the FPGA firmware architecture of the system is designed. Three major technical difficulties, namely the design of FLASH's fault-tolerant algorithm, the design of FLASH general control interface and the design of the interaction between FLASH Array and other modules are analyzed-2. The high-speed data acquisition function, including high speed ADC module, FLASH array, USB3.0 uploading module and interaction between FLASH array and other modules in acquisition mode, are well-designed and implemented.

　　3一The high-speed data playback function, including USB3.0 downloading module, high-speed DAC module and interaction between FLASH array and other modules in playback mode, are also designed and implemented.

　　4. The FLASH fault-tolerant algorithm, including the functions of FLASH's bad blocks detection, logical-physical address mapping table, dynamic updating and dynamic querying, are presented and implemented.

　　5. A software and hardware test platform is built, and a lot of test experiments are carried out- The test results show that the system realizes the functions of high speed acquisition,  playback  and  nonvolatile mass  storage  of  data.  FLASH fault-tolerant algorithm effectively solves the problem of bad block management.

　　Keywords: Data acquisition, Data playback, FLASH, USB3.0; ADC, DAC

　　數據采集是指通過(guò)模數轉換器(ADC)將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集轉換成數字量后，再發(fā)送給上位機進(jìn)行處理和分析的過(guò)程。而數據回放是指將存儲在上位機中的數字信號通過(guò)數模轉換器(DAC)轉換為模擬信號并輸出，是數據采集的逆過(guò)程數據采集和回放技術(shù)在很多領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛的應用，如雷達系統、地震勘測、無(wú)損檢測、航空遙測等。以雷達系統為例，由于現代雷達信號波形和信號處理過(guò)程越來(lái)越復雜，只有對實(shí)際環(huán)境下的雷達目標回波信號有深入的了解，才能保證信號處理方法的準確性和可靠性。在現代雷達系統設計中，廣泛采用數據采集系統對回波信號進(jìn)行采集和存儲，并通過(guò)數據傳輸總線(xiàn)把采樣數據上傳到數據處理中心，利用信號處理算法進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究。另一方面，為了對雷達設備進(jìn)行調試及性能評估，需要進(jìn)行外場(chǎng)測試，也就是為雷達設備提供真實(shí)的場(chǎng)景。但是進(jìn)行外場(chǎng)測試需要耗費巨大的人力、物力和財力，甚至有時(shí)這種條件是難以實(shí)現的。如果每次調試都進(jìn)行外場(chǎng)測試，那耗費的資源將難以想象。此時(shí)，我們可以采用另一種方式，即將真實(shí)環(huán)境中的海量測量數據下載到數據回放系統中。在設備調試時(shí)，通過(guò)數據回放系統給雷達系統提供測試數據，從而達到模擬真實(shí)場(chǎng)景的效果。該方式還可以無(wú)限次數地進(jìn)行、模擬，大大降低了調試雷達設備的成本，提高了調試的效率。因此，數據采集和回放系統已成為雷達領(lǐng)域中不可或缺的一部分。

　　在雷達系統、地震勘測、無(wú)損檢測、航空遙測等領(lǐng)域中，現場(chǎng)信號具有重要作用。以雷達信號為代表的現場(chǎng)信號具有實(shí)時(shí)性強、數據速率高、數據量龐大和處理復雜等特點(diǎn)，這就對數據采集和回放系統提出了更高的要求，它不但需對上述現場(chǎng)信號進(jìn)行高速、高精度的采樣和回放，以便于后續對信號的完整復現和分析，同時(shí)還要擁有海量數據存儲容量。另外，很多實(shí)驗場(chǎng)合下，系統都著(zhù)眼于保存現場(chǎng)數據，進(jìn)而對數據進(jìn)行離線(xiàn)處理。在利用數據回放功能模擬真實(shí)場(chǎng)景時(shí)，也需事先將海量實(shí)驗數據下載到系統中存儲，在需要時(shí)進(jìn)行數據回放。因此，要求系統能對數據進(jìn)行非易失性存儲，即掉電后數據不丟失。

　　基于上述背景，本文設計了一個(gè)同時(shí)具有海量數據存儲容量和非易失性存儲功能的高速數據采集回放系統。系統既可以對外部模擬信號進(jìn)行高速采集和海量存儲，通過(guò)數據傳輸總線(xiàn)把采集數據上傳到數據處理中心，也可以將回放數據下載到系統上，利用高速數據回放功能為外部系統提供測試數據，模擬真實(shí)場(chǎng)景。本系統可適用于雷達系統、地震勘測、無(wú)損檢測和航空遙測等多個(gè)領(lǐng)域，具有廣泛的應用前景。

　　本文采用FLASH陣列作為存儲器，設計了一個(gè)集成FLASH容錯算法的高速數據采集回放系統。一方面，在確保系統擁有海量數據存儲容量和非易失性存儲功能的前提下，實(shí)現了系統的高速數據采集功能和高速數據回放功能。系統有采集和回放兩種模式。采集模式下，通過(guò)高速ADC模塊采集外部模擬信號，并把誨量數據存儲到FLASH陣列中。上傳數據時(shí)，從FLASH陣列中讀取數據，通過(guò)USB3.0接口將數據上傳到上位機。回放模式下，上位機通過(guò)USB3.0接口把海量回放數據下載到FLASH陣列中。數據回放時(shí)，從FLASH陣列中讀取數據，通過(guò)高速DAC模塊回放出模擬信號。

　　另一方面，針對FLASH在數據存儲過(guò)程中因壞塊而引起的數據丟失問(wèn)題，本文在實(shí)現系統功能的過(guò)程中提出一種FLASH容錯算法，實(shí)現了對FLASH壞塊的動(dòng)態(tài)檢測和管理，保證了數據存儲的準確性與安全性。

　　最后，針對系統的功能和指標，搭建了系統的軟硬件測試平臺，對系統的高速數據采集功能、高速數據回放功能和FLASH容錯算法的有效性分別進(jìn)行了測試，測試結果驗證了系統方案設計的合理性和容錯算法的有效性，滿(mǎn)足了系統的功能和指標要求。

高速數據采集回放系統開(kāi)發(fā)：

上位機人機交互界面

高速數據采集回放硬件電路板

系統整體測試平臺

信號源輸出1MHz正弦信號

ChipScope捕獲的1MHz正弦波波形

USB3.0數據上傳過(guò)程

上位機接收到的數據

USB3.0數據下載過(guò)程

原始回放數據

目錄

　　摘要
　　Abstract
　　目錄
　　1 緒論
　　　　1.1 研究背景和意義
　　　　1.2 國內外研究現狀
　　　　1.3 本文主要工作
　　2 系統整體架構
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 系統功能及指標
　　　　　　2.2.1 系統功能
　　　　　　2.2.2 系統指標
　　　　2.3 系統硬件方案
　　　　2.4 系統FPGA固件邏輯架構設計
　　　　2.5 系統設計難點(diǎn)
　　　　　　2.5.1 FLASH陣列模塊與外圍模塊的交互設計
　　　　　　2.5.2 FLASH通用控制接口設計
　　　　　　2.5.3 FLASH容錯算法的設計及實(shí)現
　　　　2.6 本章小結
　　3 高速數據采集功能的設計及實(shí)現
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 高速ADC模塊設計
　　　　　　3.2.1 ADC芯片介紹
　　　　　　3.2.2 ADC芯片控制固件邏輯設計
　　　　3.3 FLASH陣列模塊設計
　　　　　　3.3.1 FLASH芯片介紹
　　　　　　3.3.2 FLASH編程固件邏輯設計
　　　　　　3.3.3 FLASH通用控制接口設計
　　　　3.4 USB3.0上傳模塊設計
　　　　　　3.4.1 USB3.0芯片介紹
　　　　　　3.4.2 USB3.0固件程序及上傳固件邏輯設計
　　　　3.5 采集模式FLASH陣列模塊與外圍模塊的交互設計
　　　　　　3.5.1 FLASH陣列模塊與高速ADC模塊的交互設計
　　　　　　3.5.2 FLASH陣列模塊與USB3.0上傳模塊的交互設計
　　　　3.6 本章小結
　　4 高速數據回放功能的設計及實(shí)現
　　　　4.1 引言
　　　　4.2 USB3.0下載模塊設計
　　　　4.3 高速DAC模塊設計
　　　　　　4.3.1 DAC芯片介紹
　　　　　　4.3.2 DAC芯片控制固件邏輯設計氣
　　　　　　4.3.3 DAC時(shí)鐘管理設計
　　　　4.4 回放模式FLASH陣列模塊與外圍模塊的交互設計
　　　　　　4.4.1 FLASH陣列模塊與USB3.0下載模塊的交互設計
　　　　　　4.4.2 FLASH陣列模塊與高速DAC模塊的交互設計
　　　　4.5 本章小結
　　5 FLASH容錯算法的設計及實(shí)現
　　　　5.1 引言
　　　　5.2 FLASH壞塊管理問(wèn)題描述
　　　　5.3 FLASH容錯算法的設計
　　　　　　5.3.1 壞塊檢測設計
　　　　　　5.3.2 建立邏輯一物理地址映射表設計
　　　　　　5.3.3 動(dòng)態(tài)更新設計
　　　　　　5.3.4 動(dòng)態(tài)讀取設計
　　　　5.4 FLASH容錯算法的實(shí)現
　　　　　　5.4.1 壞塊檢測的實(shí)現
　　　　　　5.4.2 建立邏輯一物理地址映射表的實(shí)現
　　　　　　5.4.3 動(dòng)態(tài)更新的實(shí)現
　　　　　　5.4.4 動(dòng)態(tài)讀取的實(shí)現
　　　　5.5 本章小結
　　6 系統測試
　　　　6.1 引言
　　　　6.2 系統測試方案
　　　　　　6.2.1 高速數據采集功能的測試方案
　　　　　　6.2.2 高速數據回放功能的測試方案
　　　　　　6.2.3 FLASH容錯算法有效性測試方案
　　　　6.3 系統測試平臺搭建
　　　　　　6.3.1 系統軟件測試平臺
　　　　　　6.3.2 系統軟硬件測試平臺整合
　　　　6.4 高速數據采集功能測試
　　　　　　6.4.1 高速ADC模塊測試
　　　　　　6.4.2 采集模式FLASH陣列模塊測試
　　　　　　6.4.3 USB3.0上傳模塊測試
　　　　6.5 高速數據回放功能測試
　　　　　　6.5.1 USB3.0下載模塊測試
　　　　　　6.5.2 回放模式FLASH陣列模塊測試
　　　　　　6.5.3 高速DAC模塊測試
　　　　6.6 FLASH容錯算法有效性測試
　　　　　　6.6.1 FLASH容錯算法的實(shí)現過(guò)程測試
　　　　　　6.6.2 采集模式FLASH容錯算法效果驗證
　　　　　　6.6.3 回放模式FLASH容錯算法效果驗證
　　　　6.7 本章小結
　　7 總結和展望
　　　　7.1 本文小結
　　　　7.2 未來(lái)工作展望
　　參考文獻
　　作者研究生期間科研成果