CN106897033A - 一种基于fpga和固态硬盘的高速采集记录装置 - Google Patents

一种基于fpga和固态硬盘的高速采集记录装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置，包括：FPGA主控单元、数据输入单元、数据输出单元、监控接口单元、辅助信号输入单元、数据缓存单元、SATA3固态硬盘阵列、电源管理单元。通过采用FPGA控制SATA3固态硬盘阵列实现高速数据采集记录，记录数据带宽高，最高可达4GB/s，存储容量易扩展；结构简单，支持Camera Link、SDI、光纤通道和以太网协议等多种数据输入输出，特别适用于嵌入式场合对数据记录的高带宽、低功耗、体积小和接口种类多的要求。

Description

一种基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置
技术领域
本发明涉及数据采集记录领域，特别涉及一种基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置。
背景技术
随着可见光、红外等图像传感器的分辨率和精度越来越高，其输出数据接口的速率也越来越高，单个传感器输出速率高达GB/s，对数据采集记录装置的要求也越来越高。目前，主流的数据采集记录装置是采用标准的计算机平台实现，主要由高性能的CPU主板、数据采集卡、磁盘阵列组成，其中CPU主板上运行标准的操作***，如Linux、Windows操作***，实现对输入和输出数据流的控制和对磁盘阵列的管理。在该***中，数据由采集卡输入，通过计算机内部总线传输到计算机的CPU板的内存中，数据在操作***的文件***管理下，在内存中交互多次，最终写入到磁盘阵列中。由于计算机内部总线和操作***的复杂文件***操作，会导致记录数据带宽很难突破1GB/s的带宽。由于使用高性能的CPU，***的功耗和体积很难降低，无法实现嵌入式***对低功耗和小体积的要求。
发明内容
本发明的目的是解决现有数据采集记录装置记录数据带宽低、无法实现嵌入式***对低功耗和小体积的要求的问题。为实现上述目的，本发明提供了一种基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置，包括：FPGA主控单元、数据输入单元、数据输出单元、监控接口单元、辅助信号输入单元、数据缓存单元、SATA3固态硬盘阵列、电源管理单元。
所述FPGA主控单元，连接数据输入单元、数据输出单元、监控接口单元、辅助信号输入单元、数据缓存单元、SATA3固态硬盘阵列、电源管理单元，用于协调各个单元的运行，并根据监控接口单元的命令，实现输入数据、输出数据的综合控制和存储。
所述数据输入单元，一端连接FPGA主控单元，一端连接外部的数据输入接口，用于对外部输入的数据进行协议解析和电平转换。
所述数据输出单元，一端连接FPGA主控单元，一端连接外部的数据输出接口，用于实现数据输出的协议和电平转换。
所述监控接口单元，一端连接FPGA主控单元，一端连接外部的监视和控制单元，用于对基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置的运行实现控制以及状态监控。
所述辅助信号输入单元，一端连接FPGA主控单元，一端连接外部的数据输入接口，用于实现触发信号、掉电保护信号、时间信息、位置信息的输入。
所述数据缓存单元，连接FPGA主控单元，实现对输入和输出数据的数据缓存，数据缓存单元由多片DDR3SDRAM并行组合而成。
所述SATA3固态硬盘阵列，连接FPGA主控单元，多个SATA3固态硬盘组成SATA3固态硬盘阵列，实现高带宽的数据存储。
所述电源管理单元，连接FPGA主控单元、数据输入单元、数据输出单元、监控接口单元、辅助信号输入单元、数据缓存单元、SATA3固态硬盘阵列，用于给各个单元供电。
所述基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置的记录数据带宽最高可达4GB/s。
所述FPGA主控单元支持硬件加密算法，在不降低数据记录带宽的前提下，实现对记录数据的加密。
所述数据输入单元支持Camera Link、SDI、光纤通道和以太网协议的数据输入。
所述数据输出单元支持Camera Link、SDI、光纤通道和以太网协议的数据输出。
所述监控接口单元支持RS422、RS232和以太网协议的数据输入输出。
所述辅助信号输入单元支持掉电保护，即基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置正常工作过程中，遇到非正常掉电时，辅助信号输入单元发送掉电信号给FPGA主控单元，FPGA主控单元将缓存的数据写入到SATA3固态硬盘阵列中，保护SATA3固态硬盘阵列中的数据不受损坏。
所述辅助信号输入单元支持在数据记录过程中添加经度、纬度、时间信息。
所述的SATA3固态硬盘阵列与FPGA主控单元之间采用加固接插件连接，带有锁紧功能，抗振动、抗冲击。
由上述技术方案可知，本发明通过采用FPGA控制SATA3固态硬盘阵列实现高速数据采集记录，根据应用需求，采用Camera Link、SDI、光纤通道和以太网协议等不同种类的数据输入，输入数据经过接口转换直接进入数据缓存单元，在FPGA主控单元控制下，写入SATA3固态硬盘阵列中，输出数据也支持Camera Link、SDI、光纤通道和以太网协议等不同种类输出，具有以下有益效果：
1.记录数据带宽高，最高可达4GB/s，存储容量易扩展。
2.结构简单，支持的输入输出数据种类多，特别适用于嵌入式场合对数据记录的高带宽、低功耗、体积小和接口种类多的要求。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明提供的基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置结构框图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明提供的基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置结构框图。所述基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置10，包括：FPGA主控单元101、数据输入单元102、数据输出单元103、监控接口单元104、辅助信号输入单元105、数据缓存单元106、SATA3固态硬盘阵列107、电源管理单元108。
其中，FPGA主控单元101，连接数据输入单元102、数据输出单元103、监控接口单元104、辅助信号输入单元105、数据缓存单元106、SATA3固态硬盘阵列107、电源管理单元108，用于协调各个单元的运行，并根据监控接口单元104的命令，实现输入数据、输出数据的综合控制和存储。
数据输入单元102，一端连接FPGA主控单元101，一端连接外部的数据输入接口，用于对外部输入的数据进行协议解析和电平转换。
数据输出单元103，一端连接FPGA主控单元101，一端连接外部的数据输出接口，用于实现数据输出的协议和电平转换。
监控接口单元104，一端连接FPGA主控单元101，一端连接外部的监视和控制单元，用于对基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置10的运行实现控制以及状态监控。
辅助信号输入单元105，一端连接FPGA主控单元101，一端连接外部的数据输入接口，用于实现触发信号、掉电保护信号、时间信息、位置信息的输入。
数据缓存单元106，连接FPGA主控单元101，实现对输入和输出数据的数据缓存，数据缓存单元由多片DDR3SDRAM并行组合而成。
SATA3固态硬盘阵列107，连接FPGA主控单元101，多个SATA3固态硬盘组成SATA3固态硬盘阵列107，实现高带宽的数据存储。SATA3固态硬盘阵列107采用标准SATA接口的SSD固态硬盘，SSD固态硬盘具有读写速度高，读写性能稳定等特点，单个盘的持续写入带宽达460MB/s，持续读取带宽达540MB/s，可满足持续高速数据流的记录应用需求。
108电源管理单元，连接FPGA主控单元101、数据输入单元102、数据输出单元103、监控接口单元104、辅助信号输入单元105、数据缓存单元106、SATA3固态硬盘阵列107，用于给各个单元供电。
基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置10支持记录和回放两种工作模式，在记录模式下，FPGA主控单元101接收数据输入单元102的数据，并按照一定的格式缓存到数据缓存单元106中，缓存的数据到达一定的阈值后，FPGA主控单101将数据并行地写入SATA3固态硬盘阵列107中；在回放模式下，FPGA主控单元101将SATA3固态硬盘阵列107中的数据读取到数据缓存单元106中，并按照一定的格式，将数据输出。
基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置10的记录数据带宽最高可达
4GB/s。
FPGA主控单元101支持硬件加密算法，在不降低数据记录带宽的前提下，实现对记录数据的加密。
数据输入单元102的数据输入格式是可设置的，支持Camera Link、SDI、光纤通道和以太网协议的数据输入，其中光纤通道支持多路并行的Xilinx Aurora协议的数据输入。若使用的是Camera Link、SDI和以太网协议，则数据输入单元102将高速串行的输入数据转换成并行的数据发送给FPGA主控单元101；若使用的是光纤通道协议，则数据输入单元102将光信号转换成高速串行信号发送给FPGA主控单元101。
FPGA主控单元101将各种输入的数据格式转换成统一的AXI总线，并通过内部的总线切换单元写入到数据缓存单元106中。数据缓存单元106由8片16位的DDR3SDRAM芯片组成，接口时钟高达1066MHz，位宽128位。
FPGA主控单元101与SATA3固态硬盘阵列107的接口由RAID0控制器和8路SATA3IPCORE组成。其中RAID0控制器实现对8块固态硬盘的并行管理和操作，从而提高数据写入和读取带宽，SATA 3IPCORE用于实现SATA3的协议接口，从而完成对固态硬盘的操作。
数据输出单元103的数据输出格式是可设置的，支持Camera Link、SDI、光纤通道和以太网协议的数据输出，其中Camera Link和SDI协议支持数据回放以及模拟相机数据输出，光纤通道和以太网协议支持数据导出、带NTFS文件***的数据传输，光纤通道支持多路并行的Xilinx Aurora协议的数据输出。
监控接口单元104支持RS422、RS232和以太网协议的数据输入输出。监控接口单元通过RS422或RS232接口，实现对高速采集记录装置的配置和状态监控，如格式化磁盘，调整磁盘数量，控制高速采集记录装置开始记录和停止记录等。
辅助信号输入单元105支持掉电保护，即基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置10正常工作过程中，遇到非正常掉电时，辅助信号输入单元105发送掉电信号给FPGA主控单元101，FPGA主控单元101将缓存的数据写入到SATA3固态硬盘阵列107中，保护SATA3固态硬盘阵列107中的数据不受损坏。
辅助信号输入单元105支持在数据记录过程中添加经度、纬度、时间信息。辅助信号输入单元105可接收GPS、北斗卫星或其他***发送的时间和地理位置信息，并将时间和地理位置信息传输到FPGA主控单元101中。其中，其他***发送的时间信息支持IRIG-B DC和AC码。
SATA3固态硬盘阵列107与FPGA主控单元101之间采用加固接插件连接，带有锁紧功能，抗振动、抗冲击。
由上述技术方案可知，本发明通过采用FPGA控制SATA3固态硬盘阵列实现高速采集记录，根据应用需求，采用Camera Link、SDI、光纤通道和以太网协议等不同种类的数据输入，输入数据经过接口转换直接进入数据缓存单元，在FPGA主控单元控制下，写入SATA3固态硬盘阵列中，输出数据也支持Camera Link、SDI、光纤通道和以太网协议等不同种类输出，具有以下有益效果：
1.记录数据带宽高，最高可达4GB/s，存储容量易扩展。
2.结构简单，支持的输入输出数据种类多，特别适用于嵌入式场合对数据记录的高带宽、低功耗、体积小和接口种类多的要求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置，其特征在于：
所述基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置包括：FPGA主控单元、数据输入单元、数据输出单元、监控接口单元、辅助信号输入单元、数据缓存单元、SATA3固态硬盘阵列、电源管理单元；
所述FPGA主控单元，连接数据输入单元、数据输出单元、监控接口单元、辅助信号输入单元、数据缓存单元、SATA3固态硬盘阵列、电源管理单元，用于协调各个单元的运行，并根据监控接口单元的命令，实现输入数据、输出数据的综合控制和存储；
所述数据输入单元，一端连接FPGA主控单元，一端连接外部的数据输入接口，用于对外部输入的数据进行协议解析和电平转换；
所述数据输出单元，一端连接FPGA主控单元，一端连接外部的数据输出接口，用于实现数据输出的协议和电平转换；
所述监控接口单元，一端连接FPGA主控单元，一端连接外部的监视和控制单元，用于对基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置的运行实现控制以及状态监控；
所述辅助信号输入单元，一端连接FPGA主控单元，一端连接外部的数据输入接口，用于实现触发信号、掉电保护信号、时间信息、位置信息的输入；
所述数据缓存单元，连接FPGA主控单元，实现对输入和输出数据的数据缓存，数据缓存单元由多片DDR3SDRAM并行组合而成；
所述SATA3固态硬盘阵列，连接FPGA主控单元，多个SATA3固态硬盘组成SATA3固态硬盘阵列，实现高带宽的数据存储；
所述电源管理单元，连接FPGA主控单元、数据输入单元、数据输出单元、监控接口单元、辅助信号输入单元、数据缓存单元、SATA3固态硬盘阵列，用于给各个单元供电。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置，其特征在于：
所述基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置的记录数据带宽最高可达4GB/s。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置，其特征在于：
所述FPGA主控单元支持硬件加密算法，在不降低数据记录带宽的前提下，实现对记录数据的加密。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置，其特征在于：
所述数据输入单元支持Camera Link、SDI、光纤通道和以太网协议的数据输入。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置，其特征在于：
所述数据输出单元支持Camera Link、SDI、光纤通道和以太网协议的数据输出。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置，其特征在于：
所述监控接口单元支持RS422、RS232和以太网协议的数据输入输出。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置，其特征在于：
所述辅助信号输入单元支持掉电保护，即基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置正常工作过程中，遇到非正常掉电时，辅助信号输入单元发送掉电信号给FPGA主控单元，FPGA主控单元将缓存的数据写入到SATA3固态硬盘阵列中，保护SATA3固态硬盘阵列中的数据不受损坏。
8.根据权利要求1所述的基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置，其特征在于：
所述辅助信号输入单元支持在数据记录过程中添加经度、纬度、时间信息。
9.根据权利要求1所述的基于FPGA和固态硬盘的高速采集记录装置，其特征在于：
所述的SATA3固态硬盘阵列与FPGA主控单元之间采用加固接插件连接，带有锁紧功能，抗振动、抗冲击。
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