0 引言

    隨著航天技術的不斷發展，對彈載數據的傳輸速率和存儲的可靠性、準確性的實現提出了更高的要求^[1-2]。為了解決在惡劣航天條件下彈上傳感器數據存儲高速高可靠性的難題，本文設計的存儲模塊主要實現對傳感器模擬信號的采集、處理，并以FPAG作為系統的控制中心，通過鋰電池供電，使得設備能夠獨立工作。傳感器模擬信號的采集采用AD7091R，通過FPGA存儲至Flash中。其中Flash采用斷電續存技術，使得傳感器即使突然斷電依舊能夠保障數據的完整；同時USB負責將存儲的數據上傳至上位機，實現對數據的分析和處理^[3]。設備設計遵循小型化、標準化，并且能夠承受外界較大的沖擊載荷，同時實現數據高速存儲^[4-7]。

1 總體方案設計

    傳感器的數據即使在各類突發情況下(如斷電)必須準確無誤地存儲到設備中。綜合考慮各種因素，將設備做成圓柱體形狀，底面圓半徑為50 mm，高為60 mm，內部電路板必須小于外形尺寸。

    總體設計原理圖如圖1所示。考慮到系統要經歷巨大的沖擊作用以加速到預期的飛行速度，有時該沖擊過程的幅度峰值可達20 000 g以上(g為重力加速度)，作用時間在數十毫秒以內，結合彈內空間對系統外形的要求，芯片選擇應盡可能小型化且具備較好的抗干擾性，其中FPGA采用Xilinx公司生產的XC3S1400AN芯片，并選用尺寸較小的BGA封裝，用于傳感器模擬信號采集的AD7091R采用MSOP-10小型封裝，升壓芯片考慮到鋰電池的供電以及封裝等問題采用TPS63002^[8]。由于FPGA供電需求為1.2 V和3.3 V，而且整個設備所用芯片的供電電壓也是以3.3 V居多，采用TPS70345電源轉換芯片為系統供電。調理電路主要實現信號的跟隨、分壓、再跟隨，采用封裝較小的AD823。考慮到整個系統每次上電后設備運行采集信號時長為2 h，而AD7901R每200 μs采集一次數據，2 h的數據量為411.987 MB，為滿足系統的存儲需求，Flash選用三星公司具有4 GB存儲空間的NAND型Flash——K9WBG08U1M芯片^[9]。

2 硬件電路設計

2.1 供電電路設計

    彈載存儲測試系統工作在狹窄空間、高溫、高壓、高沖擊等惡劣條件下，為保證設備在惡劣條件下供電系統仍具備較高的可靠性能，系統的供電部分由鋰電池和USB供電組成；雙模式供電可以提高設備的可靠性，在數據傳輸的過程中不會因為鋰電池出現問題而影響數據的準確性^[10]。

    利用隔離電路，當L5V(USB5V)供電時，二極管就相當于斷開，同時也能防止后續電壓倒灌。電壓通過二極管之后電壓會低于5 V，不能正常為電路板供電，因此再通過升壓芯片將電壓升到5 V。隨后5 V通過TPS70345轉換成3.3 V和1.2 V，為FPGA和其他電路提供電源。

2.2 USB接口電路設計

    USB不僅作為數據上傳上位機的關鍵接口，同時也是為電路板供電的重要電源。考慮到數據量和實際要求，芯片選用FT232H^[11-13]，該串口的傳輸速度可以達到480 Mb/s，USB具體電路圖如圖2所示。采用USB接口上傳數據節省了電纜，并且更加便利，使整個設備的通用性增強。USB供電同時也節約了資源，其中，C40和C41為USB5V過濾其他電壓，使電路板的供電更加穩定。

2.3 A/D采集調理電路設計

    A/D轉換芯片直接關系到系統的采樣精度，其作用是將系統采集到的模擬信號轉換為數字量。A/D轉換芯片使用1 Mb/s、超低功耗、12 bit采樣率的AD7091R，采集和轉換過程主要利用CONVST控制，完成轉換需要650 ns。使用外部基準電壓源時，AD7091R從省電模式上電需要100 μs，A/D轉換整個過程需要250 μs^[14]。傳感器模擬信號進入A/D轉換之前，由于電壓高于A/D轉換芯片的工作電壓，需要調理之后才能進入轉換。模擬信號的調理應用AD823實現電壓的跟隨、分壓、再跟隨，使得信號更加準確。調理電路圖如圖3所示。

3 控制邏輯設計

3.1 斷電續存控制

    彈載系統工作時，因其內部結構復雜以及外界環境等不確定因素的存在偶爾會發生瞬時斷電，這一情況會導致已存儲的數據在斷電恢復后被覆蓋記錄。

    針對數據被覆蓋記錄的問題提出斷電續存技術，該技術根據儲芯片所有位的初始數據為1，且擦除芯片內部數據后每位同樣為1，但所存儲的數據不可能均為1這一情況，記錄數據時通過查找FF操作塊完成查找斷電地址。

    數據記錄過程為：(1)檢查無效塊；(2)擦除有效塊；(3)在相應有效塊中記錄數據，塊地址加1進入下一個循環。如果斷電時正在進行這3步中的任何一步，那么該block塊或下一塊中的數據必定存在一段FF塊，如果遇到突發情況設備突然斷電，檢查完成后再次上電，設備可以通過查找FF操作塊從上次采集數據結束的地方再次進行數據的存儲，從而避免數據覆蓋記錄，提高設備的可靠性，以適應更加復雜的環境。同時存儲的過程中采用交錯雙頁面編程的操作方式^[15]提高存儲速度，使得存儲速度可以匹配A/D采集的速率。

    檢測FF塊流程圖如圖4所示。根據Flash制備的特質，通過尋找FF塊并以其為起始存儲地址繼續存儲數據實現斷電續存的功能，確保傳感器數據記錄的完整性。

3.2 交錯雙頁面編程

    因為同一時間Flash只有一個設備工作，所以每加載一次數據就必須要等待一個完整的T_PROG^[16]，其極限寫入速度4 kB/(25 ns×4 096+200 μs)=12.96 MB/s。

    交錯雙頁面編程是以相當于流水的方式對各個plane進行操作，相較于使用雙頁面編程和雙平面編程方式較大幅度地提高數據的存儲速度；其通過先寫入chip1的plane0的block0的第0頁，緊接著再寫入chip1的plane1的block1的第0頁的方式寫入，當再次回到chip1的plane0時，用時為25 ns×4 096×7=716.8 μs；因為716.8 μs已經大于TPROG理論最大值700 μs，所以其不會影響到再一次操作chip1的plane0的block0。這種方式避免了編程時間TPROG對存儲速度的影響，理論上可以達到40 MB/s的寫入速度，足以滿足A/D采集的速度。交錯雙頁面編程操作Flash流程圖如圖5所示。

3.3 A/D控制邏輯

    設備上電由FPGA控制，FPGA根據傳感器的工作情況進行供電。設備上電之后，首先啟動AD7091R進行A/D轉換。其中從高電平變成低電平，正式開始啟動A/D轉換。數據在SCLK和的控制下輸出器件^[17]。DB11在下降沿輸出，而DB10到DB0是根據SCLK的下降沿輸出數據，在完成最后一個數據輸出之后，SDO返回高阻態。全部數據輸出之后，SCLK為空閑低電平，確保數據準確性，整個過程需要650 ns。具體邏輯如圖6所示。如果在進行轉換時，再將拉低，重復上述周期。

4 測試結果與分析

    依據數據采集存儲模塊要測試的各項技術指標，搭建了高速數據采集存儲模塊的測試平臺來進行單機測試，整個平臺由地面測試臺、讀數裝置、上位機軟件、測試電纜網以及待測的數據采集存儲模塊組成。

    設備上電后，開始采集傳感器信號，一段時間之后再斷電。斷電2 min之后再上電，分析采集回的數據，通過判斷幀尾“EB90”和幀計數，可以確定數據準確無誤，數據如圖7所示。該模塊成功解決了存儲模塊因斷電或切換電源后重新記錄的數據會覆蓋原有數據的問題，同時該模塊的存儲速度達到30.72 MB/s，實現了數據的快速存儲和實時存儲。

5 結論

    本文提出了一種基于雙模式供電、斷電續存和交錯雙頁面編程技術的數據采集存儲模塊，該模塊實現了預期功能，成功解決了因設備斷電而導致的設備采集數據不準確的問題，并且設備同時具備實時存儲數據、存儲速度快的優點。模塊的整體尺寸較小，集成化較高，具有極好的環境適應性，能長時間工作在惡劣環境下。該模塊為部分需要搭載大量傳感器且需要長時間采集、快速存儲大量數據的彈載設備提供了可能。

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作者信息:

王琳瑋1，邵星靈1，楊  衛1，荊  誠2

(1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051；2.北京宇航系統工程研究所，北京100076)