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高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中高速緩存與海量緩存的實現(xiàn)
摘要：探討了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中高速采樣緩存的重要性和實現(xiàn)途徑，闡述了基于ADSP-21065L的并行多通道數(shù)據(jù)采集板上高速采樣緩存的設(shè)計與電路結(jié)構(gòu)，給出了采用FPGA實現(xiàn)通道復用和采樣數(shù)據(jù)預處理，從而構(gòu)造16MB的SDRAM海量緩存以將高速緩存中的多批次采樣數(shù)據(jù)經(jīng)AD-21065L倒入SDRAM存儲的實現(xiàn)方法。１ 引言
高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前已在雷達、聲納、軟件無線電、瞬態(tài)信號測試等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它的關(guān)鍵技術(shù)是高速ＡＤＣ技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲與傳輸技術(shù)和抗干擾技術(shù)。本文在分析了高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存儲子系統(tǒng)的性能要求和設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，提出了高速緩存和海量緩存方案，并將該方案成功地應(yīng)用于ＤＳＰ多通道超聲信號采集與處理系統(tǒng)中。
對高速多通道采樣數(shù)據(jù)存儲的性能要求：一是高速性，現(xiàn)在高速數(shù)據(jù)采集中所用的ＡＤＣ已達到幾十甚至幾百ＭＳＰＳ的水平，這就要求采樣數(shù)據(jù)存儲器的速度也要與之匹配，也就是采用高速緩存；二是大容量，其原因是多通道高速數(shù)據(jù)采集會產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)流。一個４通道４０ＭＨｚ采樣率１６位精度數(shù)據(jù)采集板并行采樣０．１ｓ將產(chǎn)生３２ＭＢ的數(shù)據(jù)量，所以，通常需要海量緩存來存儲采樣數(shù)據(jù)。
２ 高速緩存的實現(xiàn)
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存儲器就象數(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)，因而顯得比較呆板，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ＤＳＰ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很難得且價格昂貴；
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ＤＳＰ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ＤＳＰ一側(cè)以便ＤＳＰ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容易得到且價格適中，缺點是切換控制電路比較復雜，且只能由Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和ＤＳＰ分時讀寫。
綜合考慮以上三種高速緩存方案的性能、價格和實現(xiàn)方便性后，筆者選用第三種方案（即高速ＳＲＡＭ切換方式）來構(gòu)成Ａ／Ｄ采樣高速緩存。系統(tǒng)的采樣與存儲部分的原理框圖如圖１所示。
圖１中，ＳＲＡＭ選用ＩＳ６１ＬＶ２５６１６－１０Ｔ，容量為２５６ｋ×１６ｂｉｔ，訪問速度為１０ｎｓ，使用兩片即可構(gòu)成２５６ｋ×３２ｂｉｔ的高速緩存。當一輪采樣開始時，ＤＳＰ發(fā)出觸發(fā)信號給ＣＰＬＤ，后者對５０ＭＨｚ晶振時鐘二分頻后得到２５ＭＨｚ采樣時鐘提供給４路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器ＡＤ９２２５，同時對４路超聲信號進行２５ＭＨｚ、１２ｂｉｔ的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果分成兩個完全一樣的數(shù)據(jù)通道進行處理，每個數(shù)據(jù)通道處理兩路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)果，每個數(shù)據(jù)通道包含一片ＦＰＧＡ（現(xiàn)場可編程門陣列）、一片ＳＲＡＭ及其后的數(shù)據(jù)三態(tài)門等電路。ＦＰＧＡ可接收兩路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)果并在其內(nèi)部進行復用，以將其變成一路５０ＭＨｚ、１２ｂｉｔ的數(shù)據(jù)流送入ＩＳ６１ＬＶ２５６１６緩存。ＦＰＧＡ完成數(shù)據(jù)通道復用的原理如圖２所示。
ＦＰＧＡ選用ＥＰ１Ｋ５０，它的邏輯門數(shù)為５萬門，內(nèi)含１０個ＥＡＢ（嵌入陣列塊）。每個ＥＡＢ實際上是４ｋｂｉｔ的ＲＡＭ，可以用來構(gòu)造ＦＩＦＯ、雙口ＲＡＭ等。本系統(tǒng)應(yīng)用兩塊ＥＡＢ構(gòu)成了兩個２５６×１６ｂｉｔ的ＦＩＦＯ，因而可將兩路Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)果分別送入兩個ＦＩＦＯ，然后在ＦＰＧＡ的輸出端將兩個ＦＩＦＯ中的數(shù)據(jù)交替地讀出寫入ＩＳ６１ＬＶ２５６１６，每個ＦＩＦＯ每次讀出１２８個采樣數(shù)據(jù)。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的輸出為１２位數(shù)據(jù)，而ＦＰＧＡ的片內(nèi)ＦＩＦＯ和片外ＩＳ６１ＬＶ２５６１６的數(shù)據(jù)字寬都為１６位。在存儲、傳送時，將高４位補０即可。兩路Ａ／Ｄ采樣速度都為２５ＭＨｚ，復用后輸出的速率為５０ＭＨｚ，這個速度對于ＩＳ６１ＬＶ２５６１６和ＥＰ１Ｋ５０都是完全可以達到的。ＦＰＧＡ的作用除了構(gòu)造ＦＩＦＯ以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通道復用外，還可以作為協(xié)處理器由板上ＤＳＰ控制來進行一些簡單高效的數(shù)據(jù)預處理（如插值、取平均、ＦＩＲ濾波等）。同時可使用ＥＤＡ工具ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ１０．０來對ＥＰ１Ｋ５０的邏輯算法進行設(shè)計、編譯并仿真，然后下載到ＥＰ１Ｋ５０中實現(xiàn)預定功能。
除了ＦＰＧＡ外，系統(tǒng)還采用了一片ＣＰＬＤ（復雜可編程邏輯器件）來控制采樣。前者主要用于數(shù)據(jù)通道對Ａ／Ｄ采樣結(jié)果進行緩沖復用以及預處理，后者則負責產(chǎn)生Ａ／Ｄ采樣時鐘以及作為地址計數(shù)器產(chǎn)生地址并提供給兩片ＩＳ６１ＬＶ２５６１６以便存入Ａ／Ｄ采樣結(jié)果等。ＣＰＬＤ不象ＦＰＧＡ那樣能完成較復雜的邏輯功能和信號處理算法，但是它具有更高的速度，且管腳到管腳具有固定一致的時延，因而在設(shè)計調(diào)試時容易獲得簡單可靠的定時關(guān)系，適于實現(xiàn)高速計數(shù)器、觸發(fā)器、譯碼器等定時要求比較嚴格的場合。本系統(tǒng)使用ＭＡＸ７１２８ＡＥ來控制采樣，其可實現(xiàn)的功能如圖３所示。
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