0 引言

    随着航天技术的不断发展，对弹载数据的传输速率和存储的可靠性、准确性的实现提出了更高的要求^[1-2]。为了解决在恶劣航天条件下弹上传感器数据存储高速高可靠性的难题，本文设计的存储模块主要实现对传感器模拟信号的采集、处理，并以FPAG作为系统的控制中心，通过锂电池供电，使得设备能够独立工作。传感器模拟信号的采集采用AD7091R，通过FPGA存储至Flash中。其中Flash采用断电续存技术，使得传感器即使突然断电依旧能够保障数据的完整；同时USB负责将存储的数据上传至上位机，实现对数据的分析和处理^[3]。设备设计遵循小型化、标准化，并且能够承受外界较大的冲击载荷，同时实现数据高速存储^[4-7]。

1 总体方案设计

    传感器的数据即使在各类突发情况下(如断电)必须准确无误地存储到设备中。综合考虑各种因素，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外形尺寸。

    总体设计原理图如图1所示。考虑到系统要经历巨大的冲击作用以加速到预期的飞行速度，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)，作用时间在数十毫秒以内，结合弹内空间对系统外形的要求，芯片选择应尽可能小型化且具备较好的抗干扰性，其中FPGA采用Xilinx公司生产的XC3S1400AN芯片，并选用尺寸较小的BGA封装，用于传感器模拟信号采集的AD7091R采用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用TPS63002^[8]。由于FPGA供电需求为1.2 V和3.3 V，而且整个设备所用芯片的供电电压也是以3.3 V居多，采用TPS70345电源转换芯片为系统供电。调理电路主要实现信号的跟随、分压、再跟随，采用封装较小的AD823。考虑到整个系统每次上电后设备运行采集信号时长为2 h，而AD7901R每200 μs采集一次数据，2 h的数据量为411.987 MB，为满足系统的存储需求，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

    弹载存储测试系统工作在狭窄空间、高温、高压、高冲击等恶劣条件下，为保证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因为锂电池出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，二极管就相当于断开，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和其他电路提供电源。

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重要电源。考虑到数据量和实际要求，芯片选用FT232H^[11-13]，该串口的传输速度可以达到480 Mb/s，USB具体电路图如图2所示。采用USB接口上传数据节省了电缆，并且更加便利，使整个设备的通用性增强。USB供电同时也节约了资源，其中，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，其作用是将系统采集到的模拟信号转换为数字量。A/D转换芯片使用1 Mb/s、超低功耗、12 bit采样率的AD7091R，采集和转换过程主要利用CONVST控制，完成转换需要650 ns。使用外部基准电压源时，AD7091R从省电模式上电需要100 μs，A/D转换整个过程需要250 μs^[14]。传感器模拟信号进入A/D转换之前，由于电压高于A/D转换芯片的工作电压，需要调理之后才能进入转换。模拟信号的调理应用AD823实现电压的跟随、分压、再跟随，使得信号更加准确。调理电路图如图3所示。

3 控制逻辑设计

3.1 断电续存控制

    弹载系统工作时，因其内部结构复杂以及外界环境等不确定因素的存在偶尔会发生瞬时断电，这一情况会导致已存储的数据在断电恢复后被覆盖记录。

    针对数据被覆盖记录的问题提出断电续存技术，该技术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这一情况，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)检查无效块；(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，如果遇到突发情况设备突然断电，检查完成后再次上电，设备可以通过查找FF操作块从上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，以适应更加复杂的环境。同时存储的过程中采用交错双页面编程的操作方式^[15]提高存储速度，使得存储速度可以匹配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，通过寻找FF块并以其为起始存储地址继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整性。

3.2 交错双页面编程

    因为同一时间Flash只有一个设备工作，所以每加载一次数据就必须要等待一个完整的T_PROG^[16]，其极限写入速度4 kB/(25 ns×4 096+200 μs)=12.96 MB/s。

    交错双页面编程是以相当于流水的方式对各个plane进行操作，相较于使用双页面编程和双平面编程方式较大幅度地提高数据的存储速度；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页的方式写入，当再次回到chip1的plane0时，用时为25 ns×4 096×7=716.8 μs；因为716.8 μs已经大于TPROG理论最大值700 μs，所以其不会影响到再一次操作chip1的plane0的block0。这种方式避免了编程时间TPROG对存储速度的影响，理论上可以达到40 MB/s的写入速度，足以满足A/D采集的速度。交错双页面编程操作Flash流程图如图5所示。

3.3 A/D控制逻辑

    设备上电由FPGA控制，FPGA根据传感器的工作情况进行供电。设备上电之后，首先启动AD7091R进行A/D转换。其中从高电平变成低电平，正式开始启动A/D转换。数据在SCLK和的控制下输出器件^[17]。DB11在下降沿输出，而DB10到DB0是根据SCLK的下降沿输出数据，在完成最后一个数据输出之后，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，整个过程需要650 ns。具体逻辑如图6所示。如果在进行转换时，再将拉低，重复上述周期。

4 测试结果与分析

    依据数据采集存储模块要测试的各项技术指标，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，整个平台由地面测试台、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，开始采集传感器信号，一段时间之后再断电。断电2 min之后再上电，分析采集回的数据，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。该模块成功解决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度达到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术的数据采集存储模块，该模块实现了预期功能，成功解决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、存储速度快的优点。模块的整体尺寸较小，集成化较高，具有极好的环境适应性，能长时间工作在恶劣环境下。该模块为部分需要搭载大量传感器且需要长时间采集、快速存储大量数据的弹载设备提供了可能。

参考文献

[1] 李君豪，毕丽霞，王永利.多通道高速数据安全传输系统的设计与实现[J].电子技术应用，2018，44(9)：125-128.

[2] 王培人.数据采集器的FLASH存储技术与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2016.

[3] 菅少坤.一种具有断电续存功能固态存储系统的设计[D].太原：中北大学，2015.

[4] 郭鹏翔，祖静，尤文斌.基于FPGA与NAND闪存的固态存储系统设计[J].电子测试，2011(12)：54-57.

[5] 周浩，王浩全，任时磊.基于FPGA和NAND Flash的便携式信号采集系统设计[J].电子技术应用，2018，44(9)：82-86.

[6] 方彧，王杰.基于USB的高速多相机图像采集系统[J].信息与电脑(理论版)，2017(10)：98-99.

[7] 李勇.基于LVDS接口的高速图像数据记录器的设计与实现[D].太原：中北大学，2013.

[8] 孟令军，周之丽，文波，等.基于USB3.0的LVDS高速图像记录系统的设计[J].电子器件，2015，38(4)：812-816.

[9] 任鑫，李泓锦.基于TMS320F2812的数据采集系统的设计[J].北华航天工业学院学报，2017，27(1)：21-22.

[10] 孙丽，郑恩让.双模式逆变器独立供电稳定性能控制策略研究[J].计算机仿真，2017，34(8)：128-132，381.

[11] TOM W.Power gadgets from USB sources with this simple switching boost supply[J].QST，2018，102(9)：36-39.

[12] 郑永秋.某飞行器遥测数据记录器的优化设计[D].太原：中北大学，2012.

[13] 吴昊.高速大容量固态存储系统设计[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[14] 王胜利，吴云峰，张晨雨，等.用于锂电池模拟的高速电源设计[J].电子技术应用，2017，43(12)：125-129.

[15] 孙涛，龚国庆，陈勇.锂电池参数辨识模型的设计与研究[J].电子技术应用，2019，45(3)：127-130.

[16] ADELA C.Optimality conditions for weakly ε-efficient solutions of vector optimization problems with applications[J].Numerical Functional Analysis and Optimization，2019，40(6)：726-741.

[17] 刘瑞.基于FLASH的高速图像采集存储系统[D].北京：中国科学技术大学，2009.

作者信息:

王琳玮1，邵星灵1，杨  卫1，荆  诚2

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原030051；2.北京宇航系统工程研究所，北京100076)