一種基于fpga的高速數據采集存儲系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，包括FPGA核心板、數據采集模塊、MPU模塊、千兆以太網模塊、顯示模塊、輸入輸出、存儲模塊。所述的存儲模塊通過DDR3與核心器件FPGA連接，顯示、鼠標、鍵盤、千兆網等接口通過MPU模塊與PCI?E Switch連接，實現與FPGA的數據交互。2個MINISAS接口模塊直接與FPGA相連進行數據交互。通過系統的軟件系統能夠實現數據的導入、導出、數據的分析、維護等功能，而且可以實現簡單的數據實時分析。本發明的數據傳輸速率高、存儲量大、可現場擴容和進行壞塊處理；系統接口多，具有較高的用戶體驗度；系統各模塊單元之間交互性好，支持遠程以太網控制。
【專利說明】
一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統
技術領域
[0001]本發明涉及一種高速數據采集存儲系統，特別是涉及一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統。
【背景技術】
[0002]伴隨著電子產品的日益普及，帶動了數據采集技術和數據存儲技術的快速發展。特別是在衛星導航、電子、雷達等技術領域，數據采集存儲系統越來越發揮著舉足輕重的作用。而且對數據采集存儲系統的技術要求也日益提高:高數據采樣速率、高數據傳輸速率、海量存儲容量、功耗與成本低。傳統的數據采集存儲系統難以滿足這樣的要求。
[0003]近年來發展的FPGA(Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列)技術為新一代高速數據采集存儲系統提供了良好的技術支持。FPGA具有非常多的硬件資源，集成在一塊芯片上的可用邏輯門電路達千萬級別，可以通過內部鎖相環得到非常高的時頻，內部時耗小，而且效率非常高，結構靈活，能夠集成多個控制器、譯編碼和各種外圍接口電路，因此可使用FPGA來設計數據采集與數據存儲部分。而在信號處理方面，FPGA由于具有豐富的內核資源，方便使用者的調用。因此，高速數據采集存儲系統采用FPGA，可簡化設計，提高系統的靈活性和處理速度。
[0004]中國專利201010623689.5公開了一種基于FPGA的高速數據采集系統，包括接收模擬信號的差分放大單元、與所述差分放大單元相連接的A/D轉換單元、與所述A/D轉換單元相連接的FPGA處理單元、與所述FPGA處理單元相連接的微處理器，所述微處理器通過通信接口與上位機相連接。但是，該系統存在以下缺陷:1.系統的數據存儲容量小、不支持現場擴容，而且無法進行壞塊處理。2.系統的接口較少、無軟件支持，用戶體驗度較低。3.系統各模塊單元之間交互性差。4.系統不支持遠程以太網控制。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術的不足之處，提出一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，其數據存儲量大、可現場擴容和進行壞塊處理;該系統的接口多，在功能強大的軟件支持下的用戶體驗度高；系統各模塊單元之間交互性好;并且，該系統支持遠程以太網控制。
[0006]為了解決現有技術的上述問題，本發明采用以下技術方案。
[0007]本發明的一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，包括數據傳輸存儲硬件系統和數據傳輸存儲軟件系統，其特征在于:
[0008]所述的數據傳輸存儲硬件系統，集成于一個電路板上，包括:FPGA核心板、ETP接插件模塊、PC1-E開關模塊、MPU子卡模塊、千兆以太網口模塊、顯示模塊、輸入輸出模塊、MINI SAS接口模塊、SSD存儲陣列模塊、DDR3緩存模塊；
[0009 ]所述的千兆以太網模塊、顯示模塊、輸入輸出模塊、SSD存儲陣列模塊通過MPU子卡模塊分別與PC1-E開關模塊連接，實現與FPGA核心板的數據交互；
[0010]所述的SSD存儲陣列模塊通過至少一級DDR3緩存模塊與FPGA核心板連接；
[0011]所述的FPGA核心板包括GTP模塊，用于將數據以差分信號的形式進行傳輸；
[0012]2個所述的MINISAS接口模塊，用于直接與FPGA核心板相連進行數據交互；
[0013]所述的MPU子卡模塊包含ETX-Express連接器，用于與所述的MPU子卡的南橋和北橋的數據傳輸；
[0014]所述的SSD存儲陣列模塊，包括至少一個由Flash閃存介質和控制IC組成的外接固態硬盤；
[0015]所述的數據傳輸存儲軟件系統，包括操作系統、管理軟件、MATLAB、通訊協議、盤陣驅動、底層硬件驅動部分，用于數據的導入、導出，數據的分析、維護，以及簡單的數據實時分析;用戶通過顯示模塊、輸入輸出模塊的輸入輸出設備與系統應用程序進行數據交互。
[0016]進一步的，所述的FPGA核心板采用XilinxZynq-7000芯片，其包括的GTP模塊的最高數據率為6.125Gbps。
[0017]進一步的，所述的ETP接插件模塊，包括2個96芯的EPT103-40064接插件；所述的EPT103-40064接插件的接口包括4個通道，每個通道可傳輸4對LVDS數字信號。
[0018]進一步的，所述的SSD存儲陣列模塊，包括多個外接固態硬盤，構成多路數據存儲通道的電子盤陣。
[0019]進一步的，所述的PC1-E模塊，含有15路可配置端口。
[0020]進一步的，所述的FPGA核心板中的數據在存入存儲陣列之前，需進行以下過程:
(I)相位補償、(2)8b/10b編碼、(3)并行到串行的轉換。
[0021]進一步的，所述的SSD存儲陣列模塊中的數據在輸入到FPGA核心板進行數據處理之前，需進行以下過程:(I)時鐘的恢復、(2)串行到并行的轉換、(3)字節同步、(4)8b/10b編碼，以及(5)相位補償。
[0022]進一步的，所述的基于FPGA的數據傳輸存儲硬件系統，包括4個所述的數據傳輸存儲硬件系統集成電路板;所述的VPX接口，用于所述的每個數據傳輸存儲硬件系統集成電路板之間的相互通信與數據交互。
[0023]與現有技術相比，本發明的優點和有益效果包括:
[0024]1.本發明系統的存儲系統速度快、穩定度高、保密性強。支持現場容量擴充，可直接更換硬盤。而且，多個存儲通道并行存儲，便于數據的備份轉存。
[0025]2.可同時使用軟件和硬件利用損耗均衡算法、ECC校驗方法，對存儲介質的壞塊進行維護。有效防止存儲數據的損壞，也可延長FLASH的使用壽命。對于壞塊中的數據，讀出時可以通過軟件進行恢復。采用外接固態硬盤陣列的方式存儲，形成電子陣列式的多通道高速存儲，便于數據的備份轉存，實現高速、大容量存儲、回放。單板的持續記錄速度多700MB/
So
[0026]3.可通過軟件操作選擇是進行數據的導入還是數據的導出，且可以實現對數據的分析、維護等功能。完善的軟件功能，提高了用戶體驗，減輕數據分析難度。采用標準的MPU子卡來實現鍵盤、鼠標、千兆網等接口。支持操作系統、管理軟件、支持MATLAB等分析軟件。
[0027]4.采用VPX接口作為記錄板之間聯系的橋梁，記錄板之間可以通過它來進行的數據交互。提高整個記錄存儲系統的效率和靈活性。
[0028]5.本發明的系統采用了 2個96芯的EPTl 03-40064接插件，接插件將背板上的差分信號直接傳輸給FPGA，而無需與MPU模塊或者PC1-E SWITCH連接。通過VPX接插件和其它數據采集記錄板互聯進行高速的數據傳輸，最高速率可達1.25GB/S。
[0029]6.人機交互功能可以通過⑶I界面顯示，可以顯示接收和發送對設備的控制命令、BIT信息、設備的工作狀態信息等。支持遠程以太網控制。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發明的一個實施例的功能框圖。
[0031]圖2是本發明的一個實施例的高速收發器(GTP)的內部邏輯原理圖。
[0032]圖3是本發明的一個實施例的PC1-ESwitch功能框圖。
[0033]圖4是本發明的一個實施例的MPU模塊的功能框圖。
[0034]圖5是本發明的一個實施例的軟件架構框圖。
【具體實施方式】
[0035]本發明的一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，包括數據傳輸存儲硬件系統和數據傳輸存儲軟件系統，其數據傳輸存儲硬件系統，集成于一個電路板上，包括= FPGA核心板、ETP接插件模塊、PC1-E開關模塊、MPU子卡模塊、千兆以太網口模塊、顯示模塊、輸入輸出模塊、MINISAS接口模塊、SSD存儲陣列模塊(電子盤陣)、DDR3緩存模塊；
[0036]所述的千兆以太網模塊、顯示模塊、輸入輸出模塊、SSD存儲陣列模塊通過MPU子卡模塊分別與PC1-E開關模塊連接，實現與FPGA核心板的數據交互;FPGA模塊與PC1-E開關模塊之間可以實現數據的交換，PC1-E開關模塊的I路X4通道與VPX接口相連，可以實現該接口板與背板上的其它背板實現數據交互，而這些背板之間是完全獨立的系統，可以交互數據，但互不干涉。
[0037]所述的SSD存儲陣列模塊通過至少一級DDR3緩存模塊與FPGA核心板連接；用于調節GTP模塊與SSD的數據差。
[0038]所述的FPGA核心板包括GTP模塊，用于將數據以差分信號的形式進行傳輸;從而減少外接設備對數據的干擾。
[0039]2個所述的MINISAS接口模塊，用于直接與FPGA核心板相連進行數據交互；而無需與MPU模塊或者PC1-E SWITCH連接。
[0040]本發明實施例所述的MPU子卡模塊包含ETX-Express連接器，用于與所述的MPU子卡的南橋和北橋的數據傳輸；其北橋有I路533MHz 64Bit與DDR2緩存連接，有3路與ETX-Expre ss連接器相連，分別是I路VGA模擬信號、I路LVDS和I路PCI 16。與MPU模塊的南橋之間通過4路DMI 2.5GB/s連接。相比北橋，南橋與ETX-Express連接器連接的通道較多，包括:I路LPC33MHz 4、1路USB1.5/12/480MHz 6、2路DATA I.5GB/s、I路A/C、4路PC1-Express2.5GB/s、I路IDE、I路GP10、I路PCI 33MHz 32，另外，南橋與ETX-Express連接器之間有I路通過10/100B-T Ethernet連接。ETX-Express不僅與南北橋進行數據交互，還用于提供12VDC 與 SVSBY信號。
[0041]所述的SSD存儲陣列模塊，包括至少一個由Flash閃存介質和控制IC組成的外接固態硬盤；
[0042]所述的數據傳輸存儲軟件系統，包括操作系統、管理軟件、MATLAB、通訊協議、盤陣驅動、底層硬件驅動部分，用于數據的導入、導出，數據的分析、維護，以及簡單的數據實時分析;用戶通過顯示模塊、輸入輸出模塊的輸入輸出設備與系統應用程序進行數據交互。該軟件系統的功能主要體現在三個方面:1、顯示功能:基于Windows操作系統實現的，人機交互功能可以通過⑶I界面顯示，可以顯示接收和發送對設備的控制命令、BIT信息、設備的工作狀態信息等。2、系統硬件設備控制功能:包括設備的記錄啟動/停止、回放的啟動/停止、設備的工作方式控制、數據輸入通道的選擇控制等。3、數據管理功能:主要包括對記錄數據的查詢功能(根據時間信息)、數據的截取、數據的上傳/下載功能。此外還可以通過MATLAB等軟件對數據進行簡單的分析。
[0043]所述的FPGA核心板采用XilinxZynq-7000芯片，其包括的GTP模塊的最高數據率為6.125Gbps。該產品的FPGA內部集成有ARM，兩者通過AXI4總線進行高速連接，有效解決了FPAG與ARM之間的傳輸問題。另外，其高速收發器GTP的功耗很低，可支持500Mb/s—6.6Gb/s的傳輸速率。
[0044]所述的ETP接插件模塊，包括2個96芯的EPT103-40064接插件；所述的EPT103-40064接插件的接口包括4個通道，每個通道可傳輸4對LVDS數字信號。所述的ETP接插件模塊的2個96芯的EPT103-40064接插件，用于傳輸給FPGA核心板的信號還包括I路時鐘信號、I
路同步信號和4路備用信號。
[0045]所述的SSD存儲陣列模塊，包括多個外接固態硬盤，構成多路數據存儲通道的電子盤陣。該電子盤陣可進行壞塊處理，損耗均衡算法，ECC校驗等。其一路通道的容量大小為8T，四路通道即可實現32T超大容量的存儲。且支持現場容量的擴容，在存盤已滿的情況下可以直接更換硬盤。
[0046]所述的PC1-E模塊，含有15路可配置端口。通過這些端口，不僅可以傳輸數據和控制/管理信息，還是FPGA模塊與千兆網口、顯示器、輸入輸出設備連接的橋梁。
[0047]所述的FPGA核心板中的數據在存入存儲陣列之前，需進行以下過程:(I)相位補償、(2)8b/10b編碼、(3)并行到串行的轉換。
[0048]所述的SSD存儲陣列模塊中的數據在輸入到FPGA核心板進行數據處理之前，需進行以下過程:(I)時鐘的恢復、(2)串行到并行的轉換、(3)字節同步、(4)8b/10b編碼，以及
(5)相位補償。
[0049]所述的基于FPGA的數據傳輸存儲硬件系統，包括4個所述的數據傳輸存儲硬件系統集成電路板;所述的VPX接口，用于所述的每個數據傳輸存儲硬件系統集成電路板之間的相互通信與數據交互。
[0050]下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0051]圖1是本發明的一個實施例的功能框圖。如圖1所示，本發明的一個實施例的一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，其板型大小為6U，尺寸為233.35 X 220mm，板卡的厚度不大于40.3mm。一個單塊的數據采集存儲系統板的功耗小于50W。該數據采集記錄系統，通過Xi I inx的Zynq-7000系列FPGA來實現數據的高速采集，快速傳輸與存儲。而FPGA和MPU模塊之間的數據傳輸、控制及管理則通過IDT公司的PC1-E Switch(外部組件互連總線接口開關)芯片實現。
[0052]通過FPGA核心板實現接插件上的LVDS接口、PC1-E端口以及2個MINI SAS(迷你串行連接接口)接口(只是采用MINISAS接口，來實現LVDS(低電壓差分信號)信號的數據傳輸，12位的數據寬度，采用的時鐘為100MHz，即總的數據率為150MB/S)之間的數據轉換。本數據采集記錄系統采用了 2個96芯的EPT103-40064接插件。該接口上包含4個傳輸通道，每個傳輸通道可以傳輸2組(Rx和Tx)4對LVDS信號，數據率為80Mbps;其它傳輸信號包含I路時鐘信號、I路同步信號和4路備用信號。即4個通道可以實現160MB/S的數據傳輸，用于數據存儲以及回放，以便該數據采集系統獨立于其它系統進行數據采集。同時PC1-E Switch器引出一路PC1-EX4，通過VPX(高速串行總線接口)接插件和其它數據采集記錄板互聯進行高速的數據傳輸，最高速率為I.25GB/S。
[0053]本系統采用SSD存儲陣列模塊構成的電子盤陣作為存儲器，實現高速、大容量存儲、回放。電子盤陣工作速度快、穩定度高、保密性強的特點，因此常用于專用機和工業控制機。電子盤陣由Flash閃存介質和控制IC組成，是一種可多次讀寫的存儲器，安裝和使用非常方便。由于存儲介質是閃存，其防震能力比普通硬盤強;而且，速度更快、重量輕，非常適用于移動使用。另外，由于該電子盤陣沒有普通硬盤的旋轉介質，因而抗震性極佳，同時工作溫度范圍寬，擴展溫度的電子盤陣可工作在-40C-+85C，因此可廣泛應用于網絡計算機(NC)，工業控制，航空航天，軍事，導航設備等領域。
[0054]圖2是本發明的一個實施例的高速收發器(GTP)的內部邏輯原理圖。如圖2所示，本發明實施例的GTP高速收發器由PCS (物理編碼子層)與PMA (物理介質連接)構成。發送通道部分的PMA主要負責串化8b/10b編碼器部分輸入的并行信號為比特流，接收部分的PMA負責將SFP光模塊部分輸入的數據由串行變成并行，但是首先要將時鐘數據從串行數據中恢復出來。因為收發器使用的時頻精度要求高，所以發送通道部分的PCS首先將要發送的信號輸入相位補償FIFO，來補償發送部分的PCS相位與FPGA內核相位的差，外部輸入參考時鐘將通過專門的鎖相環電路來產生，在通過相位補償FIFO之后，并行數據和串行數據便可高度同步。
[0055]圖3是本發明的一個實施例的PC1-ESwitch功能框圖。如圖3所示，PC1-E Switch是一種類似于常用的USB Hub的設備，不過它最多可以有N個端口，已經被廣泛應用在了傳統的存儲系統中。Switch是新概念，它與上一代標準PC1-X的橋接模式相比，最大的一個本質區別就是在同一個Bus內部的多個角色之間采用的是Switch交換，而不再是Bus,—個Switch相當于一個虛擬橋與虛擬Bus的集合。另外PC1-E Switch可將事務在各個端口之間傳遞。
[0056]IDT公司的92HD81B1B5NLB是支持 15端口48通道(Lanes)的PCI Express Gen 2開關芯片，每一個端口的通道數量都可以配置成x4，x8或者是xl6，合計480GT/S的帶寬。92HD81B1B5NLB芯片的結構設計得比較靈活，它將48個通道分布在3個Stat1n中，而且每一個Stat1n都可以由內部總線連接到Packet RAM內，大大提升了效率。每一個通道還可以配置成上下游端口。
[0057]具體PC1-E各寬口使用:5路X2的PC1-E供接口使用，I路X4的PC1-E供X86模塊使用，I路Xl的PC1-E供光纖使用。
[0058]圖4是本發明的一個實施例的MPU模塊的功能框圖。如圖4所示，采用標準的MPU子卡(以存儲部分作為母板)來實現顯示、鍵盤、鼠標、千兆網等接口。MPU子卡模塊包括一片主頻在1.4G至2.13G的迅馳處理器。該處理器與ITP-700之間的帶寬為133MHz。通過533MHzFSB*64-Bit與MPU模塊的北橋相連接。內核供電電壓由RM-頂VP-1V提供。
[0059]MPU模塊的北橋有I路533MHz 64Bit與DDR2緩存連接，有3路與ETX-Express連接器相連，分別是I路VGA模擬信號、I路LVDS和I路PCI 16。與MI3U模塊的南橋之間通過4路DMI2.5GB/S連接。相比北橋，南橋與ETX-Express連接器連接的通道包括:1路LPC33MHZ 4、I路USB1.5/12/480MHz 6、2路DATA I.5GB/s、I路A/C、4路PC1-Express 2.5GB/s、I路IDE、I路GP10、1路PCI 33MHz 32，此外南橋與連接器之間還有I路通過10/100B-T Ethernet連接。ETX-Express不僅與南北橋進行數據交互，還提供12VDC與SVSBY信號。
[0060]圖5是本發明的一個實施例的軟件架構框圖。如圖5所示，高速采集設備的軟件是基于Windows操作系統實現的，主要用來實現人機交互、設備功能模塊的控制、數據管理、簡單數據分析、系統的BIT工作等。按照軟件架構所示，當操作員需要與機器進行數據交互時，可以通過顯示器、鍵盤、鼠標來接受或者發送對設備控制命令。(I)當設備收到是控制命令時，就根據響應的通訊協議，控制底層硬件驅動，并將操作結果返回到應用層通過顯示器顯示出來。(2)當設備接收到的是數據管理指令，就啟動響應的盤陣驅動，盤陣驅動再進一步調用底層硬件驅動，同樣將操作結果通過顯示器顯示出來。
[0061]設備控制功能包括設備的記錄啟動/停止、回放的啟動/停止、設備的工作方式控制、數據輸入通道的選擇控制等。
[0062]其數據管理功能主要包括對記錄數據的查詢功能、數據的截取、數據的上傳/下載功能。
[0063]總之，本發明的一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，能夠從終端設備通過EPT接插件采樣回波數據，通過低電壓差分(LVDS)技術高速傳輸，傳輸給FPGA進行實時數據處理分析。FPGA處理后的數據經由光纖傳輸給存儲陣列進行數據的高速存儲。該設計方案提供鼠標、鍵盤、千兆以太網等接口通過PC1-E Switch器，與FPGA核心板芯片互聯，支持數據的查詢與截取、記錄狀態監控、文件信息指示、遠程以太網控制功能。
【主權項】
1.一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，包括數據傳輸存儲硬件系統和數據傳輸存儲軟件系統，其特征在于: 所述的數據傳輸存儲硬件系統，集成于一個電路板上，包括= FPGA核心板、ETP接插件模塊、PC1-E開關模塊、MPU子卡模塊、千兆以太網口模塊、顯示模塊、輸入輸出模塊、MINISAS接口模塊、SSD存儲陣列模塊、DDR3緩存模塊； 所述的千兆以太網模塊、顯示模塊、輸入輸出模塊、SSD存儲陣列模塊通過MPU子卡模塊分別與PC1-E開關模塊連接，實現與FPGA核心板的數據交互； 所述的SSD存儲陣列模塊通過至少一級DDR3緩存模塊與FPGA核心板連接； 所述的FPGA核心板包括GTP模塊，用于將數據以差分信號的形式進行傳輸； 2個所述的MINISAS接口模塊，用于直接與FPGA核心板相連進行數據交互； 所述的MPU子卡模塊包含ETX-Express連接器，用于與所述的MPU子卡的南橋和北橋的數據傳輸； 所述的SSD存儲陣列模塊，包括至少一個由Flash閃存介質和控制IC組成的外接固態硬盤; 所述的數據傳輸存儲軟件系統，包括操作系統、管理軟件、MATLAB、通訊協議、盤陣驅動、底層硬件驅動部分，用于數據的導入、導出，數據的分析、維護，以及簡單的數據實時分析;用戶通過顯示模塊、輸入輸出模塊的輸入輸出設備與系統應用程序進行數據交互。2.根據權利要求1所述的一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，其特征是:所述的FPGA核心板采用Xilinx Zynq-7000芯片，其包括的GTP模塊的最高數據率為6.125Gbps。3.根據權利要求1所述的一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，其特征是:所述的ETP接插件模塊，包括2個96芯的EPT103-40064接插件;所述的EPT103-40064接插件的接口包括4個通道，每個通道可傳輸4對LVDS數字信號。4.根據權利要求1所述的一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，其特征是:所述的SSD存儲陣列模塊，包括多個外接固態硬盤，構成多路數據存儲通道的電子盤陣。5.根據權利要求1所述的一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，其特征是:所述的PC1-E模塊，含有15路可配置端口。6.根據權利要求1所述的一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，其特征是:所述的FPGA核心板中的數據在存入存儲陣列之前，需進行以下過程: (1)相位補償； (2)8b/10b編碼; (3)并行到串行的轉換。7.根據權利要求1所述的一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，其特征是:所述的SSD存儲陣列模塊中的數據在輸入到FPGA核心板進行數據處理之前，需進行以下過程: (1)時鐘的恢復； (2)串行到并行的轉換； (3)字節同步； (4)8b/10b編碼; (5)相位補償。8.根據權利要求1所述的一種基于FPGA的高速數據采集存儲系統，其特征是:所述的基于FPGA的數據傳輸存儲硬件系統，包括4個所述的數據傳輸存儲硬件系統集成電路板和VPX接口 ；所述的VPX接口，用于所述的每個數據傳輸存儲硬件系統集成電路板之間的相互通信與數據交互。
【文檔編號】G06F3/06GK106095334SQ201610395244
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月3日 公開號201610395244.3, CN 106095334 A, CN 106095334A, CN 201610395244, CN-A-106095334, CN106095334 A, CN106095334A, CN201610395244, CN201610395244.3
【發明人】林明, 楊帆, 代品宣
【申請人】江蘇科技大學