模塊化和柔性化的機載數(shù)據(jù)系統(tǒng)設計范文

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《工程設計學報》2014年第四期

1模塊化系統(tǒng)組成

1.1接口模塊

1.1.1串行LVDS接口串行LVDS接口模塊采用美國TI公司的10位LVDS解串器SN65LV1224B作為接收芯片，串行LVDS數(shù)據(jù)經(jīng)過解串器后輸出10位并行數(shù)據(jù)．系統(tǒng)上電時，將解串器與發(fā)送芯片建立同步，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕綦x芯片選擇ADI公司iCoupler?技術的微功耗四通道數(shù)字隔離器AD－UM3440，無需外部驅(qū)動器和其他分立器件，提供低脈寬失真和嚴格的通道與通道之間的匹配．串行LVDS接口模塊框圖如圖2所示。

1.1.2并行LVDS接口并行LVDS接口接收16位并行LVDS信號、1位時鐘信號CLK和1位寫使能控制信號，接收芯片采用NationalSemiconductor公司生產(chǎn)的DS90LV048A，支持四通道信號傳輸，具有高速的傳輸率和超低的功耗，選擇4片DS90LV048A作為并行數(shù)據(jù)傳輸，1片DS90LV048A作為接收控制信號．隔離芯片選擇ADUM3440，滿足傳輸速率要求．當接收芯片檢測到寫使能的高電平信號時啟動數(shù)據(jù)傳輸，接收有效數(shù)據(jù)．并行LVDS接口模塊框圖如圖3所示。

1.1.3RS422與模擬量接口RS422接口采用AM26LS32作為差分線路接收器，實現(xiàn)RS422數(shù)據(jù)傳輸；模擬量接口進行模擬量采樣時首先經(jīng)信號調(diào)理電路對信號進行處理，然后送入模擬開關，再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)化和數(shù)字隔離實現(xiàn)模擬量采集．RS422與模擬量接口模塊框圖如圖4所示．

1.2存儲模塊

根據(jù)存儲容量和存儲速度要求，存儲模塊分為小容量存儲和大容量存儲兩部分，小容量存儲模塊采用流水線操作即可滿足要求，大容量存儲模塊采取流水線操作和并行擴展技術分別從橫向和縱向?qū)崿F(xiàn)存儲要求［10］．NANDFlash選用SAMSUNG公司的K9WBG08U1M，單片存儲容量為4GB，1頁容量為4KB，內(nèi)部由2片2GB的Flash芯片疊裝組成，通過片選信號CE1和CE2分別選通，讀、寫操作以頁為單位．寫操作包括加載和編程兩步，單片K9WBG08U1M寫滿1頁所需加載時間為102．5μs，最大編程時間為700μs．

1.2.1小容量存儲模塊小容量存儲單元采用2片K9WBG08U1M搭建流水線，減少對編程時間的等待．一組流水線進行4次加載操作，后面3片的加載時間為307．5μs，小于最大編程時間700μs，因此所需的總時間為102．5＋700＝802．5μs．一組8GB流水線的存儲速率為16kB÷802．5μs＝163MB／s，滿足存儲速度和容量要求．小容量存儲模塊框圖如圖5所示。

1.2.2大容量存儲模塊大容量存儲單元采用16片K9WBG08U1M搭建4×4存儲陣列，存儲容量達到4×4×4＝64GB．采用流水線技術，最大限度提高Flash芯片的存儲速度，每組16GB存儲單元的最快存儲速率為40MB／s，4組Flash并行操作速率理論上可達到160MB／s，滿足指標要求．在FPGA內(nèi)部建立FIFO模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存與位數(shù)轉(zhuǎn)換．橫向進行位擴展的4片F(xiàn)lash擁有相同的片選信號和不同的數(shù)據(jù)通道，擴展為32位數(shù)據(jù)線；縱向進行流水線操作的4片F(xiàn)lash擁有不同的片選信號和相同的數(shù)據(jù)通道．大容量存儲模塊框圖如圖6所示。

2系統(tǒng)測試與分析

2.1模塊化測試與分析系統(tǒng)工作時，首先確認上位機與下位機接口連接無誤，然后上位機發(fā)送啟動命令，進行初始化操作．初始化結束后基板發(fā)送信號進行檢測，工作時基板作為中央邏輯控制單元控制各個模塊，記錄系統(tǒng)采用模塊化設計，接口模塊由存儲板上的FPGA控制啟動接收數(shù)據(jù)，并進行存儲，事后回讀分析．RS422和模擬量的回讀數(shù)據(jù)分別如圖7和圖8所示．模塊化的管理方法，能夠滿足記錄系統(tǒng)的存儲要求，實現(xiàn)各通道的實時存儲．

2.2柔性化測試與分析系統(tǒng)設計接口擴展插槽和存儲擴展插槽，可根據(jù)需求插入接口板，將擴展的接口模塊經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換設計為與已知接口模塊具有相同控制信號的模塊，插入對應存儲板實現(xiàn)擴展功能．如圖9所示為某次試驗對溫度數(shù)據(jù)的記錄，驗證了系統(tǒng)的可擴展性．柔性化的構建，有利記錄更多通道的數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了記錄系統(tǒng)的靈活性，使用便捷．

2.3現(xiàn)場試驗測試與分析某次飛行試驗中，對系統(tǒng)功能進行檢驗測試，事后進行回讀分析，經(jīng)上位機軟件回讀后的數(shù)據(jù)如圖10所示．經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗驗證，將系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)分析對比，驗證了記錄系統(tǒng)具有較高的可靠性．

3結論

采用模塊化和柔性化思想設計的以基板為中央邏輯控制的插槽式記錄系統(tǒng)，滿足機載設備數(shù)據(jù)源和容量的變化情況，增加擴展模塊，使記錄系統(tǒng)更具靈活性和通用性．系統(tǒng)滿足機載設備的環(huán)境條件和要求指標，可靠性高、控制簡單，適合容量大和實時性要求比較高的機載設備系統(tǒng)，同時柔性化的靈活設計可以進一步擴展到車輛、船舶等其他領域。

作者：王歡靳鴻陳昌鑫靳書云單位：中北大學電子測試技術國家重點實驗室中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室蘇州大學機電工程學院中北大學計算機與控制工程學院