一種多通道數(shù)據(jù)記錄裝置的設(shè)計(jì)

0存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)步在多領(lǐng)域的應(yīng)用針對(duì)宇宙的成像技術(shù)，它可以真實(shí)地恢復(fù)宇宙的飛機(jī)狀態(tài)、動(dòng)作和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等關(guān)鍵指標(biāo)。航天器的飛行試驗(yàn)要求圖像具有較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率,才不致丟失重要細(xì)節(jié),通常使用高速攝像機(jī)作為采集系統(tǒng)前端。在該領(lǐng)域,現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景必須完整、真實(shí)地還原出來(lái),而航天器有時(shí)可能不在地面監(jiān)測(cè)范圍之內(nèi),一些在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)只能先存入記錄器中,進(jìn)入監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)再將數(shù)據(jù)回傳。記錄裝置的容量、帶寬以及其可靠性和穩(wěn)定性等因素都將影響數(shù)據(jù)能否準(zhǔn)確保存,并關(guān)系到整個(gè)試驗(yàn)的成敗數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在存儲(chǔ)介質(zhì)的發(fā)展和各種通信總線的應(yīng)用上。存儲(chǔ)介質(zhì)從磁帶到硬盤(pán)再到半導(dǎo)體器件,逐漸向微小型化、低功耗、高集成度和密集化發(fā)展,而半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件已廣泛應(yīng)用于航天遙測(cè)領(lǐng)域。隨著1553B、光纖接口、以太網(wǎng)接口等高速總線的應(yīng)用,存儲(chǔ)帶寬也得以提高。LVDS接口憑借其低噪聲、低功耗和極高的傳輸效率等特點(diǎn)在測(cè)試計(jì)量、圖像處理方面發(fā)揮重要作用。本文旨在設(shè)計(jì)一種高可靠性的數(shù)據(jù)記錄器以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速數(shù)字視頻信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和回傳。1數(shù)字視頻信號(hào)編碼設(shè)計(jì)和合成結(jié)合當(dāng)前數(shù)據(jù)記錄器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),采用FPGA作為數(shù)據(jù)記錄裝置的中控邏輯單元,用Flash作為核心存儲(chǔ)芯片,使用LVDS作為數(shù)據(jù)傳輸接口,特點(diǎn)是功耗低、可控性高,并且數(shù)據(jù)不易丟失。設(shè)計(jì)時(shí),采用自上而下的設(shè)計(jì)思想,分成多個(gè)模塊進(jìn)行編碼和調(diào)試。已知數(shù)字視頻信號(hào)參數(shù):畫(huà)面分辨率為VGA(640×480),幀率100f/s,采樣位數(shù)為8bit,采樣頻率為40MHz。經(jīng)計(jì)算得出接口處的數(shù)據(jù)流為30.72Mb/s。應(yīng)用于航天遙測(cè)的精密儀器對(duì)設(shè)備出現(xiàn)誤碼、數(shù)據(jù)丟失等情況有嚴(yán)格的限制,其可靠性和穩(wěn)定性應(yīng)得到保證。確保設(shè)備研制成功的關(guān)鍵技術(shù)有三:一是數(shù)字視頻信號(hào)的完整采集,二是選擇合理的Flash工作方式并嚴(yán)格控制其時(shí)序約束,三是準(zhǔn)確高效地回傳混有幀標(biāo)記的圖像。2關(guān)鍵技術(shù)2.1同同步時(shí)鐘域數(shù)據(jù)的獲取攝像機(jī)輸出的數(shù)字視頻信號(hào)的時(shí)序如圖1所示。垂直同步信號(hào)vsync是實(shí)現(xiàn)圖像幀同步的標(biāo)志,當(dāng)vsync為1時(shí),攝像頭有數(shù)據(jù)輸出,vsync上升沿是獲取一幀數(shù)據(jù)的初始時(shí)刻;當(dāng)vsync為0時(shí),無(wú)數(shù)據(jù)輸出,可以利用這段時(shí)間在一幀圖像采集完成后加入其他信息,如時(shí)標(biāo)、幀計(jì)數(shù)和幀標(biāo)記等。水平同步信號(hào)hsync的上升沿為采集每一行的初始時(shí)刻,當(dāng)hsync為1時(shí),完成此行640個(gè)像素點(diǎn)的采集。重復(fù)操作480次,即可獲取一幀完整的圖像。數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。在高速數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,不同模塊在各自的同步時(shí)鐘下工作,為解決跨時(shí)鐘域問(wèn)題,要在數(shù)據(jù)交換接口處添加異步FIFO,以匹配不同傳輸速率的數(shù)據(jù)流。由圖1可知,在一個(gè)水平同步周期(18.75μs)內(nèi),采集并寫(xiě)入FIFO的數(shù)據(jù)量為640字節(jié),若以33MHz的速率讀FIFO,則在這一時(shí)間內(nèi),流出FIFO的數(shù)據(jù)量為618.75字節(jié)。數(shù)據(jù)差值將在Vsync下降沿時(shí)達(dá)到最大,為10200字節(jié),若采用半滿即讀的方式,則FIFO容量應(yīng)大于20400字節(jié),否則就可能溢出。攝像機(jī)在時(shí)鐘上升沿發(fā)數(shù),記錄器用時(shí)鐘下降沿取數(shù)。存到記錄器中的數(shù)據(jù)是圖像和信息的組合,為了區(qū)分兩種類(lèi)型的數(shù)據(jù),采用9位的FIFO緩存數(shù)據(jù),低8位用以寫(xiě)入數(shù)據(jù)流,最高位(MSB)用來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)類(lèi)型。部分代碼如下:2.2動(dòng)態(tài)管理算法NandFlash有多種編程方式,如頁(yè)編程(PageProgram)、雙平面頁(yè)編程(Two-planePageProgram)和交叉雙平面頁(yè)編程(InterleaveTwo-planePageProgram),如圖3所示。這三種工作方式最終導(dǎo)致Flash寫(xiě)入數(shù)據(jù)的速度不同由表1可以看出,影響Flash編程時(shí)間的主要因素為t在三種工作方式下,若不考慮其他影響因素,Flash的持續(xù)寫(xiě)入速率計(jì)算如下:事實(shí)上,在出廠時(shí)芯片就存在無(wú)效塊,而且在使用過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生新的無(wú)效塊。無(wú)效塊的存在一定程度上影響了Flash的寫(xiě)入速度,按照“判一塊寫(xiě)一塊”的方法顯然是行不通的。為此,本文采用一種“無(wú)效塊動(dòng)態(tài)管理算法”,即:在執(zhí)行寫(xiě)操作前對(duì)無(wú)效塊進(jìn)行檢測(cè),在RAM中建立無(wú)效塊地址列表;寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí),將當(dāng)前塊地址與列表中的無(wú)效塊地址按順序?qū)Ρ扰袛?若一致,則認(rèn)為當(dāng)前塊無(wú)效,繼續(xù)判斷下一塊;否則,認(rèn)為當(dāng)前塊有效,可以進(jìn)行寫(xiě)操作Flash的編程編碼算法本身并不復(fù)雜,但如果不對(duì)其做任何處理,一旦數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼或丟失,在圖像回傳時(shí),可能導(dǎo)致后續(xù)圖像紊亂影響全局。因此,有必要對(duì)Flash存儲(chǔ)空間進(jìn)行特殊配置,以空間地址來(lái)記錄幀結(jié)構(gòu)。Flash每個(gè)Device存儲(chǔ)空間結(jié)構(gòu)如圖4所示,用A13~A31指定頁(yè)地址,總共524288頁(yè),2個(gè)Device共1048576頁(yè)2.3第76頁(yè)接口圖像回傳的本質(zhì)就是按照?qǐng)D1的時(shí)序?qū)lash存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)LVDS接口發(fā)出。由于每幀數(shù)據(jù)的附帶信息并非回傳所需,因此可以將第76頁(yè)直接跳過(guò);但這樣做的缺點(diǎn)是回傳讀數(shù)和普通讀數(shù)要被分為兩個(gè)不同的進(jìn)程,增加了程序占用的資源。因此,可以合并這兩個(gè)進(jìn)程,由后續(xù)模塊提取圖像數(shù)據(jù)3記錄和讀取記錄器時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)圖2為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的記錄器的整體性能和可靠性,專門(mén)設(shè)計(jì)了一套檢測(cè)設(shè)備,包括硬件平臺(tái)和測(cè)試軟件。該設(shè)備的主要功能有:(1)模擬前端攝像機(jī),輸出垂直同步信號(hào)、水平同步信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和8位位寬的數(shù)據(jù)流;(2)接收記錄器回傳的圖像;(3)測(cè)試軟件可以直接讀取記錄器中的完整數(shù)據(jù)(稱為“長(zhǎng)線讀數(shù)”),也可以讀取回傳至測(cè)試設(shè)備中的圖像數(shù)據(jù)(稱為“備用讀數(shù)”);(4)判定幀結(jié)構(gòu)是否完整,檢測(cè)數(shù)據(jù)是否正確;(5)顯示圖像。由于一幀圖像數(shù)據(jù)有300KB,若采用遞增模式的信號(hào)源,模擬攝像機(jī)輸出的數(shù)據(jù)格式為:1200個(gè)“00h~FFh”+8字節(jié)的附加信息(“1492”+幀計(jì)數(shù)+時(shí)標(biāo)+狀態(tài)信息)。計(jì)算機(jī)軟件執(zhí)行“長(zhǎng)線讀數(shù)”或“備用讀數(shù)”命令后,將在線讀取完整數(shù)據(jù)或圖像數(shù)據(jù),存入一個(gè)后綴名為.dat的文件,經(jīng)多次考查,記錄裝置存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與檢測(cè)設(shè)備發(fā)送的數(shù)字量一致,符合設(shè)計(jì)要求。4高效能算法介紹本文主要介紹一種高速數(shù)字視頻信號(hào)記錄裝