CN106095334B - 一种基于fpga的高速数据采集存储*** - Google Patents

一种基于fpga的高速数据采集存储*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的高速数据采集存储***，包括FPGA核心板、数据采集模块、MPU模块、千兆以太网模块、显示模块、输入输出、存储模块。所述的存储模块通过DDR3与核心器件FPGA连接，显示、鼠标、键盘、千兆网等接口通过MPU模块与PCI‑E Switch连接，实现与FPGA的数据交互。2个MINISAS接口模块直接与FPGA相连进行数据交互。通过***的软件***能够实现数据的导入、导出、数据的分析、维护等功能，而且可以实现简单的数据实时分析。本发明的数据传输速率高、存储量大、可现场扩容和进行坏块处理；***接口多，具有较高的用户体验度；***各模块单元之间交互性好，支持远程以太网控制。

Description

一种基于FPGA的高速数据采集存储***
技术领域
本发明涉及一种高速数据采集存储***，特别是涉及一种基于FPGA的高速数据采集存储***。
背景技术
伴随着电子产品的日益普及，带动了数据采集技术和数据存储技术的快速发展。特别是在卫星导航、电子、雷达等技术领域，数据采集存储***越来越发挥着举足轻重的作用。而且对数据采集存储***的技术要求也日益提高：高数据采样速率、高数据传输速率、海量存储容量、功耗与成本低。传统的数据采集存储***难以满足这样的要求。
近年来发展的FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)技术为新一代高速数据采集存储***提供了良好的技术支持。FPGA具有非常多的硬件资源，集成在一块芯片上的可用逻辑门电路达千万级别，可以通过内部锁相环得到非常高的时频，内部时耗小，而且效率非常高，结构灵活，能够集成多个控制器、译编码和各种***接口电路，因此可使用FPGA来设计数据采集与数据存储部分。而在信号处理方面，FPGA由于具有丰富的内核资源，方便使用者的调用。因此，高速数据采集存储***采用FPGA，可简化设计，提高***的灵活性和处理速度。
中国专利201010623689.5公开了一种基于FPGA的高速数据采集***，包括接收模拟信号的差分放大单元、与所述差分放大单元相连接的A/D转换单元、与所述A/D转换单元相连接的FPGA处理单元、与所述FPGA处理单元相连接的微处理器，所述微处理器通过通信接口与上位机相连接。但是,该***存在以下缺陷:1.***的数据存储容量小、不支持现场扩容，而且无法进行坏块处理。2.***的接口较少、无软件支持，用户体验度较低。3.***各模块单元之间交互性差。4.***不支持远程以太网控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提出一种基于FPGA的高速数据采集存储***，其数据存储量大、可现场扩容和进行坏块处理；该***的接口多，在功能强大的软件支持下的用户体验度高；***各模块单元之间交互性好；并且，该***支持远程以太网控制。
为了解决现有技术的上述问题，本发明采用以下技术方案。
本发明的一种基于FPGA的高速数据采集存储***，包括数据传输存储硬件***和数据传输存储软件***，其特征在于：
所述的数据传输存储硬件***，集成于一个电路板上，包括：FPGA核心板、ETP接插件模块、PCI-E模块、MPU子卡模块、千兆以太网模块、显示模块、输入输出模块、MINISAS接口模块、SSD存储阵列模块、DDR3缓存模块；
所述的千兆以太网模块、显示模块、输入输出模块、SSD存储阵列模块通过MPU子卡模块分别与PCI-E模块连接，实现与FPGA核心板的数据交互；
所述的SSD存储阵列模块通过至少一级DDR3缓存模块与FPGA核心板连接；
所述的FPGA核心板包括GTP模块，用于将数据以差分信号的形式进行传输；
2个所述的MINISAS接口模块，用于直接与FPGA核心板相连进行数据交互；
所述的MPU子卡模块包含ETX-Express连接器，用于与所述的MPU子卡的南桥和北桥的数据传输；
所述的SSD存储阵列模块，包括至少一个由Flash闪存介质和控制IC组成的外接固态硬盘；
所述的数据传输存储软件***，包括操作***、管理软件、MATLAB、通讯协议、盘阵驱动、底层硬件驱动部分，用于数据的导入、导出，数据的分析、维护，以及简单的数据实时分析；用户通过显示模块、输入输出模块的输入输出设备与***应用程序进行数据交互。
进一步的,所述的FPGA核心板采用Xilinx Zynq-7000芯片，其包括的GTP模块的最高数据率为6.125Gbps。
进一步的,所述的ETP接插件模块，包括2个96芯的EPT103-40064接插件；所述的EPT103-40064接插件的接口包括4个通道，每个通道可传输4对LVDS数字信号。
进一步的,所述的SSD存储阵列模块，包括多个外接固态硬盘，构成多路数据存储通道的电子盘阵。
进一步的,所述的PCI-E模块，含有15路可配置端口。
进一步的,所述的FPGA核心板中的数据在存入SSD存储阵列之前，需进行以下过程：(1)相位补偿、(2)8b/10b编码、(3)并行到串行的转换。
进一步的,所述的SSD存储阵列模块中的数据在输入到FPGA核心板进行数据处理之前，需进行以下过程：(1)时钟的恢复、(2)串行到并行的转换、(3)字节同步、(4)8b/10b编码，以及(5)相位补偿。
进一步的,所述的数据传输存储硬件***，包括4个所述的数据传输存储硬件***集成电路板；所述的VPX接口，用于所述的每个数据传输存储硬件***集成电路板之间的相互通信与数据交互。
与现有技术相比,本发明的优点和有益效果包括：
1.本发明***的存储***速度快、稳定度高、保密性强。支持现场容量扩充，可直接更换硬盘。而且，多个存储通道并行存储，便于数据的备份转存。
2.可同时使用软件和硬件利用损耗均衡算法、ECC校验方法，对存储介质的坏块进行维护。有效防止存储数据的损坏，也可延长FLASH的使用寿命。对于坏块中的数据，读出时可以通过软件进行恢复。采用外接固态硬盘阵列的方式存储，形成电子阵列式的多通道高速存储，便于数据的备份转存，实现高速、大容量存储、回放。单板的持续记录速度≥700MB/s。
3.可通过软件操作选择是进行数据的导入还是数据的导出，且可以实现对数据的分析、维护等功能。完善的软件功能，提高了用户体验，减轻数据分析难度。采用标准的MPU子卡来实现键盘、鼠标、千兆网等接口。支持操作***、管理软件、支持MATLAB等分析软件。
4.采用VPX接口作为记录板之间联系的桥梁，记录板之间可以通过它来进行的数据交互。提高整个记录存储***的效率和灵活性。
5.本发明的***采用了2个96芯的EPT103-40064接插件，接插件将背板上的差分信号直接传输给FPGA，而无需与MPU模块或者PCI-E SWITCH连接。通过VPX接插件和其它数据采集记录板互联进行高速的数据传输，最高速率可达1.25GB/S。
6.人机交互功能可以通过GUI界面显示，可以显示接收和发送对设备的控制命令、BIT信息、设备的工作状态信息等。支持远程以太网控制。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的功能框图。
图2是本发明的一个实施例的高速收发器(GTP)的内部逻辑原理图。
图3是本发明的一个实施例的PCI-E Switch功能框图。
图4是本发明的一个实施例的MPU模块的功能框图。
图5是本发明的一个实施例的软件架构框图。
具体实施方式
本发明的一种基于FPGA的高速数据采集存储***，包括数据传输存储硬件***和数据传输存储软件***，其数据传输存储硬件***，集成于一个电路板上，包括：FPGA核心板、ETP(European Technology Protocol)接插件模块、PCI-E模块、MPU(Microprocessorunit微处理器单元)子卡模块、千兆以太网模块、显示模块、输入输出模块、MINISAS接口模块、SSD存储阵列模块(电子盘阵)、DDR3缓存模块；
所述的千兆以太网模块、显示模块、输入输出模块、SSD存储阵列模块通过MPU子卡模块分别与PCI-E模块连接，实现与FPGA核心板的数据交互；FPGA模块与PCI-E模块之间可以实现数据的交换，PCI-E模块的1路X4通道与VPX接口相连，可以实现该接口板与背板上的其它背板实现数据交互，而这些背板之间是完全独立的***，可以交互数据，但互不干涉。
所述的SSD存储阵列模块通过至少一级DDR3缓存模块与FPGA核心板连接；用于调节GTP模块与SSD的数据差。
所述的FPGA核心板包括GTP(Gigabit Transceiver with Low Power吉比特收发器)模块，用于将数据以差分信号的形式进行传输；从而减少外接设备对数据的干扰。
2个所述的MINISAS接口模块，用于直接与FPGA核心板相连进行数据交互；而无需与MPU模块或者PCI-E SWITCH连接。
本发明实施例所述的MPU子卡模块包含ETX-Express连接器，用于与所述的MPU子卡的南桥和北桥的数据传输；其北桥有1路533MHz 64Bit与DDR2缓存连接,有3路与ETX-Express连接器相连，分别是1路VGA模拟信号、1路LVDS和1路PCI 16。与MPU模块的南桥之间通过4路DMI 2.5GB/s连接。相比北桥，南桥与ETX-Express连接器连接的通道较多，包括：1路LPC33MHz 4、1路USB1.5/12/480MHz 6、2路DATA 1.5GB/s、1路A/C、4路PCI-Express2.5GB/s、1路IDE、1路GPIO、1路PCI 33MHz 32，另外，南桥与ETX-Express连接器之间有1路通过10/100B-T Ethernet连接。ETX-Express不仅与南北桥进行数据交互，还用于提供12VDC与SVSBY信号。
所述的SSD存储阵列模块，包括至少一个由Flash闪存介质和控制IC(IntegratedCircuit)组成的外接固态硬盘；
所述的数据传输存储软件***，包括操作***、管理软件、MATLAB、通讯协议、盘阵驱动、底层硬件驱动部分，用于数据的导入、导出，数据的分析、维护，以及简单的数据实时分析；用户通过显示模块、输入输出模块的输入输出设备与***应用程序进行数据交互。该软件***的功能主要体现在三个方面：1、显示功能：基于Windows操作***实现的，人机交互功能可以通过GUI界面显示，可以显示接收和发送对设备的控制命令、BIT信息、设备的工作状态信息等。2、***硬件设备控制功能：包括设备的记录启动/停止、回放的启动/停止、设备的工作方式控制、数据输入通道的选择控制等。3、数据管理功能：主要包括对记录数据的查询功能(根据时间信息)、数据的截取、数据的上传/下载功能。此外还可以通过MATLAB等软件对数据进行简单的分析。
所述的FPGA核心板采用Xilinx Zynq-7000芯片，其包括的GTP模块的最高数据率为6.125Gbps。该产品的FPGA内部集成有ARM，两者通过AXI4总线进行高速连接，有效解决了FPAG与ARM之间的传输问题。另外，其高速收发器GTP的功耗很低，可支持500Mb/s—6.6Gb/s的传输速率。
所述的ETP接插件模块，包括2个96芯的EPT103-40064接插件；所述的EPT103-40064接插件的接口包括4个通道，每个通道可传输4对LVDS数字信号。所述的ETP接插件模块的2个96芯的EPT103-40064接插件，用于传输给FPGA核心板的信号还包括1路时钟信号、1路同步信号和4路备用信号。
所述的SSD存储阵列模块，包括多个外接固态硬盘，构成多路数据存储通道的电子盘阵。该电子盘阵可进行坏块处理，损耗均衡算法，ECC校验等。其一路通道的容量大小为8T，四路通道即可实现32T超大容量的存储。且支持现场容量的扩容，在存盘已满的情况下可以直接更换硬盘。
所述的PCI-E模块，含有15路可配置端口。通过这些端口，不仅可以传输数据和控制/管理信息，还是FPGA模块与千兆网口、显示器、输入输出设备连接的桥梁。
所述的FPGA核心板中的数据在存入存储阵列之前，需进行以下过程：(1)相位补偿、(2)8b/10b编码、(3)并行到串行的转换。
所述的SSD存储阵列模块中的数据在输入到FPGA核心板进行数据处理之前，需进行以下过程：(1)时钟的恢复、(2)串行到并行的转换、(3)字节同步、(4)8b/10b编码，以及(5)相位补偿。
所述的数据传输存储硬件***，包括4个所述的数据传输存储硬件***集成电路板；所述的VPX接口，用于所述的每个数据传输存储硬件***集成电路板之间的相互通信与数据交互。
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明的一个实施例的功能框图。如图1所示，本发明的一个实施例的一种基于FPGA的高速数据采集存储***，其板型大小为6U，尺寸为233.35×220mm，板卡的厚度不大于40.3mm。一个单块的数据采集存储***板的功耗小于50W。该数据采集记录***，通过Xilinx的Zynq-7000系列FPGA来实现数据的高速采集，快速传输与存储。而FPGA和MPU模块之间的数据传输、控制及管理则通过IDT公司的PCI-E Switch(外部组件互连总线接口开关)芯片实现。
通过FPGA核心板实现接插件上的LVDS接口、PCI-E端口以及2个MINI SAS(迷你串行连接接口)接口(只是采用MINISAS接口，来实现LVDS(低电压差分信号)信号的数据传输，12位的数据宽度，采用的时钟为100MHz,即总的数据率为150MB/S)之间的数据转换。本数据采集记录***采用了2个96芯的EPT103-40064接插件。该接口上包含4个传输通道，每个传输通道可以传输2组(Rx和Tx)4对LVDS信号，数据率为80Mbps；其它传输信号包含1路时钟信号、1路同步信号和4路备用信号。即4个通道可以实现160MB/S的数据传输，用于数据存储以及回放，以便该数据采集***独立于其它***进行数据采集。同时PCI-E Switch器引出一路PCI-E×4，通过VPX(高速串行总线接口)接插件和其它数据采集记录板互联进行高速的数据传输，最高速率为1.25GB/S。
本***采用SSD存储阵列模块构成的电子盘阵作为存储器，实现高速、大容量存储、回放。电子盘阵工作速度快、稳定度高、保密性强的特点，因此常用于专用机和工业控制机。电子盘阵由Flash闪存介质和控制IC组成，是一种可多次读写的存储器，安装和使用非常方便。由于存储介质是闪存，其防震能力比普通硬盘强；而且，速度更快、重量轻，非常适用于移动使用。另外，由于该电子盘阵没有普通硬盘的旋转介质,因而抗震性极佳，同时工作温度范围宽，扩展温度的电子盘阵可工作在-40C-+85C，因此可广泛应用于网络计算机(NC)，工业控制，航空航天，军事，导航设备等领域。
图2是本发明的一个实施例的高速收发器(GTP)的内部逻辑原理图。如图2所示，本发明实施例的GTP高速收发器由PCS(物理编码子层)与PMA(物理介质连接)构成。发送通道部分的PMA主要负责串化8b/10b编码器部分输入的并行信号为比特流，接收部分的PMA负责将SFP光模块部分输入的数据由串行变成并行，但是首先要将时钟数据从串行数据中恢复出来。因为收发器使用的时频精度要求高，所以发送通道部分的PCS首先将要发送的信号输入相位补偿FIFO，来补偿发送部分的PCS相位与FPGA内核相位的差，外部输入参考时钟将通过专门的锁相环电路来产生，在通过相位补偿FIFO之后，并行数据和串行数据便可高度同步。
图3是本发明的一个实施例的PCI-E Switch功能框图。如图3所示，PCI-E Switch是一种类似于常用的USB Hub的设备，不过它最多可以有N个端口，已经被广泛应用在了传统的存储***中。Switch是新概念，它与上一代标准PCI-X的桥接模式相比，最大的一个本质区别就是在同一个Bus内部的多个角色之间采用的是Switch交换，而不再是Bus,一个Switch相当于一个虚拟桥与虚拟Bus的集合。另外PCI-E Switch可将事务在各个端口之间传递。
IDT公司的92HD81B1B5NLB是支持15端口48通道(Lanes)的PCI Express Gen 2开关芯片，每一个端口的通道数量都可以配置成x4，x8或者是x16，合计480GT/S的带宽。92HD81B1B5NLB芯片的结构设计得比较灵活，它将48个通道分布在3个Station中，而且每一个Station都可以由内部总线连接到Packet RAM内，大大提升了效率。每一个通道还可以配置成上下游端口。
具体PCI-E各宽口使用：5路X2的PCI-E供接口使用，1路X4的PCI-E供X86模块使用，1路X1的PCI-E供光纤使用。
图4是本发明的一个实施例的MPU模块的功能框图。如图4所示，采用标准的MPU子卡(以存储部分作为母板)来实现显示、键盘、鼠标、千兆网等接口。MPU子卡模块包括一片主频在1.4G至2.13G的迅驰处理器。该处理器与ITP-700之间的带宽为133MHz。通过533MHzFSB*64-Bit与MPU模块的北桥相连接。内核供电电压由RM-IMVP-IV提供。
MPU模块的北桥有1路533MHz 64Bit与DDR2缓存连接,有3路与ETX-Express连接器相连，分别是1路VGA模拟信号、1路LVDS和1路PCI 16。与MPU模块的南桥之间通过4路DMI2.5GB/s连接。相比北桥，南桥与ETX-Express连接器连接的通道包括：1路LPC33MHz 4、1路USB1.5/12/480MHz6、2路DATA 1.5GB/s、1路A/C、4路PCI-Express 2.5GB/s、1路IDE、1路GPIO、1路PCI 33MHz32，此外南桥与连接器之间还有1路通过10/100B-T Ethernet连接。ETX-Express不仅与南北桥进行数据交互，还提供12VDC与SVSBY信号。
图5是本发明的一个实施例的软件架构框图。如图5所示，高速采集设备的软件是基于Windows操作***实现的，主要用来实现人机交互、设备功能模块的控制、数据管理、简单数据分析、***的BIT工作等。按照软件架构所示，当操作员需要与机器进行数据交互时，可以通过显示器、键盘、鼠标来接受或者发送对设备控制命令。(1)当设备收到是控制命令时，就根据响应的通讯协议，控制底层硬件驱动，并将操作结果返回到应用层通过显示器显示出来。(2)当设备接收到的是数据管理指令，就启动响应的盘阵驱动，盘阵驱动再进一步调用底层硬件驱动，同样将操作结果通过显示器显示出来。
设备控制功能包括设备的记录启动/停止、回放的启动/停止、设备的工作方式控制、数据输入通道的选择控制等。
其数据管理功能主要包括对记录数据的查询功能、数据的截取、数据的上传/下载功能。
总之，本发明的一种基于FPGA的高速数据采集存储***，能够从终端设备通过EPT接插件采样回波数据，通过低电压差分(LVDS)技术高速传输，传输给FPGA进行实时数据处理分析。FPGA处理后的数据经由光纤传输给存储阵列进行数据的高速存储。该设计方案提供鼠标、键盘、千兆以太网等接口通过PCI-E Switch器，与FPGA核心板芯片互联，支持数据的查询与截取、记录状态监控、文件信息指示、远程以太网控制功能。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的高速数据采集存储***，包括数据传输存储硬件***和数据传输存储软件***，其特征在于：
所述的数据传输存储硬件***，集成于一个电路板上，包括：FPGA核心板、ETP接插件模块、PCI-E模块、MPU子卡模块、千兆以太网模块、显示模块、输入输出模块、MINISAS接口模块、SSD存储阵列模块、DDR3缓存模块；
所述的千兆以太网模块、显示模块、输入输出模块、SSD存储阵列模块通过MPU子卡模块分别与PCI-E模块连接，实现与FPGA核心板的数据交互；
所述的SSD存储阵列模块通过至少一级DDR3缓存模块与FPGA核心板连接；
所述的FPGA核心板包括GTP模块，用于将数据以差分信号的形式进行传输；
2个所述的MINISAS接口模块，用于直接与FPGA核心板相连进行数据交互；
所述的MPU子卡模块包含ETX-Express连接器，用于与所述的MPU子卡的南桥和北桥的数据传输；
所述的SSD存储阵列模块，包括至少一个由Flash闪存介质和控制IC组成的外接固态硬盘；
所述的数据传输存储软件***，包括操作***、管理软件、MATLAB、通讯协议、盘阵驱动、底层硬件驱动部分，用于数据的导入、导出，数据的分析、维护，以及简单的数据实时分析；用户通过显示模块、输入输出模块的输入输出设备与***应用程序进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速数据采集存储***，其特征是：所述的FPGA核心板采用Xilinx Zynq-7000芯片，其包括的GTP模块的最高数据率为6.125Gbps。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速数据采集存储***，其特征是：所述的ETP接插件模块，包括2个96芯的EPT103-40064接插件；所述的EPT103-40064接插件的接口包括4个通道，每个通道可传输4对LVDS数字信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速数据采集存储***，其特征是：所述的SSD存储阵列模块，包括多个外接固态硬盘，构成多路数据存储通道的电子盘阵。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速数据采集存储***，其特征是：所述的PCI-E模块，含有15路可配置端口。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速数据采集存储***，其特征是：所述的FPGA核心板中的数据在存入SSD存储阵列之前，需进行以下过程：
(1)相位补偿；
(2)8b/10b编码；
(3)并行到串行的转换。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速数据采集存储***，其特征是：所述的SSD存储阵列模块中的数据在输入到FPGA核心板进行数据处理之前，需进行以下过程：
(1)时钟的恢复；
(2)串行到并行的转换；
(3)字节同步；
(4)8b/10b编码；
(5)相位补偿。
8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速数据采集存储***，其特征是：所述的数据传输存储硬件***，包括4个所述的数据传输存储硬件***集成电路板和VPX接口；所述的VPX接口，用于所述的每个数据传输存储硬件***集成电路板之间的相互通信与数据交互。
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