1 总体方案设计
传感器的数据纵然在各种突发情形下(如断电)必须准确无误地存储到设备中。综合考虑各种成分，将设备做成圆柱体形状，底面圆半径为50 mm，高为60 mm，内部电路板必须小于形状尺寸。
总体设计事理图如图1所示。考虑到系统要经历巨大的冲击浸染以加速到预期的翱翔速率，有时该冲击过程的幅度峰值可达20 000 g以上(g为重力加速度)，浸染韶光在数十毫秒以内，结合弹内空间对系统形状的哀求，芯片选择应尽可能小型化且具备较好的抗滋扰性，个中FPGA采取Xilinx公司生产的XC3S1400AN芯片，并选用尺寸较小的BGA封装，用于传感器仿照旗子暗记采集的AD7091R采取MSOP-10小型封装，升压芯片考虑到锂电池的供电以及封装等问题采取TPS63002[8]。由于FPGA供电需求为1.2 V和3.3 V，而且全体设备所用芯片的供电电压也因此3.3 V居多，采取TPS70345电源转换芯片为系统供电。调理电路紧张实现旗子暗记的跟随、分压、再跟随，采取封装较小的AD823。考虑到全体系统每次上电后设备运行采集旗子暗记时长为2 h，而AD7901R每200 μs采集一次数据，2 h的数据量为411.987 MB，为知足系统的存储需求，Flash选用三星公司具有4 GB存储空间的NAND型Flash——K9WBG08U1M芯片[9]。
2 硬件电路设计
2.1 供电电路设计
弹载存储测试系统事情在狭窄空间、高温、高压、高冲击等恶劣条件下，为担保设备在恶劣条件下供电系统仍具备较高的可靠性能，系统的供电部分由锂电池和USB供电组成；双模式供电可以提高设备的可靠性，在数据传输的过程中不会由于锂电池涌现问题而影响数据的准确性[10]。
利用隔离电路，当L5V(USB5V)供电时，二极管就相称于断开，同时也能防止后续电压倒灌。电压通过二极管之后电压会低于5 V，不能正常为电路板供电，因此再通过升压芯片将电压升到5 V。随后5 V通过TPS70345转换成3.3 V和1.2 V，为FPGA和其他电路供应电源。
2.2 USB接口电路设计
USB不仅作为数据上传上位机的关键接口，同时也是为电路板供电的主要电源。考虑到数据量和实际哀求，芯片选用FT232H[11-13]，该串口的传输速率可以达到480 Mb/s，USB详细电路图如图2所示。采取USB接口上传数据节省了电缆，并且更加便利，使全体设备的通用性增强。USB供电同时也节约了资源，个中，C40和C41为USB5V过滤其他电压，使电路板的供电更加稳定。
2.3 A/D采集调理电路设计
A/D转换芯片直接关系到系统的采样精度，其浸染是将系统采集到的仿照旗子暗记转换为数字量。A/D转换芯片利用1 Mb/s、超低功耗、12 bit采样率的AD7091R，采集和转换过程紧张利用CONVST掌握，完成转换须要650 ns。利用外部基准电压源时，AD7091R从省电模式上电须要100 μs，A/D转换全体过程须要250 μs[14]。传感器仿照旗子暗记进入A/D转换之前，由于电压高于A/D转换芯片的事情电压，须要调理之后才能进入转换。仿照旗子暗记的调理运用AD823实现电压的跟随、分压、再跟随，使得旗子暗记更加准确。调理电路图如图3所示。
3 掌握逻辑设计
3.1 断电续存掌握
弹载系统事情时，因其内部构造繁芜以及外界环境等不愿定成分的存在偶尔会发生瞬时断电，这一情形会导致已存储的数据在断电规复后被覆盖记录。
针对数据被覆盖记录的问题提出断电续存技能，该技能根据储芯片所有位的初始数据为1，且擦除芯片内部数据后每位同样为1，但所存储的数据不可能均为1这一情形，记录数据时通过查找FF操作块完成查找断电地址。
数据记录过程为：(1)检讨无效块；(2)擦除有效块；(3)在相应有效块中记录数据，块地址加1进入下一个循环。如果断电时正在进行这3步中的任何一步，那么该block块或下一块中的数据必定存在一段FF块，如果碰着突发情形设备溘然断电，检讨完成后再次上电，设备可以通过查找FF操作块早年次采集数据结束的地方再次进行数据的存储，从而避免数据覆盖记录，提高设备的可靠性，以适应更加繁芜的环境。同时存储的过程中采取交错双页面编程的操作办法[15]提高存储速率，使得存储速率可以匹配A/D采集的速率。
检测FF块流程图如图4所示。根据Flash制备的特质，通过探求FF块并以其为起始存储地址连续存储数据实现断电续存的功能，确保传感器数据记录的完全性。
3.2 交错双页面编程
由于同一韶光Flash只有一个设备事情，以是每加载一次数据就必须要等待一个完全的TPROG[16]，其极限写入速率4 kB/(25 ns×4 096+200 μs)=12.96 MB/s。
交错双页面编程因此相称于流水的办法对各个plane进行操作，相较于利用双页面编程和双平面编程办法较大幅度地提高数据的存储速率；其通过先写入chip1的plane0的block0的第0页，紧接着再写入chip1的plane1的block1的第0页的办法写入，当再次回到chip1的plane0时，用时为25 ns×4 096×7=716.8 μs；由于716.8 μs已经大于TPROG理论最大值700 μs，以是其不会影响到再一次操作chip1的plane0的block0。这种办法避免了编程韶光TPROG对存储速率的影响，理论上可以达到40 MB/s的写入速率，足以知足A/D采集的速率。交错双页面编程操作Flash流程图如图5所示。
3.3 A/D掌握逻辑
设备上电由FPGA掌握，FPGA根据传感器的事情情形进行供电。设备上电之后，首先启动AD7091R进行A/D转换。个中从高电平变成低电平，正式开始启动A/D转换。数据在SCLK和的掌握下输出器件[17]。DB11不才降沿输出，而DB10到DB0是根据SCLK的低落沿输出数据，在完成末了一个数据输出之后，SDO返回高阻态。全部数据输出之后，SCLK为空闲低电平，确保数据准确性，全体过程须要650 ns。详细逻辑如图6所示。如果在进行转换时，再将拉低，重复上述周期。
4 测试结果与剖析
依据数据采集存储模块要测试的各项技能指标，搭建了高速数据采集存储模块的测试平台来进行单机测试，全体平台由地面测试台、读数装置、上位机软件、测试电缆网以及待测的数据采集存储模块组成。
设备上电后，开始采集传感器旗子暗记，一段韶光之后再断电。断电2 min之后再上电，剖析采集回的数据，通过判断帧尾“EB90”和帧计数，可以确定数据准确无误，数据如图7所示。该模块成功办理了存储模块因断电或切换电源后重新记录的数据会覆盖原有数据的问题，同时该模块的存储速率达到30.72 MB/s，实现了数据的快速存储和实时存储。
5 结论
本文提出了一种基于双模式供电、断电续存和交错双页面编程技能的数据采集存储模块，该模块实现了预期功能，成功办理了因设备断电而导致的设备采集数据不准确的问题，并且设备同时具备实时存储数据、存储速率快的优点。模块的整体尺寸较小，集成化较高，具有极好的环境适应性，能永劫光事情在恶劣环境下。该模块为部分须要搭载大量传感器且须要永劫光采集、快速存储大量数据的弹载设备供应了可能。
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作者信息:
王琳玮1，邵星灵1，杨 卫1，荆 诚2
(1.中北大学 电子测试技能国家重点实验室，山西 太原030051；2.北京宇航系统工程研究所，北京100076)
