基于FPGA并以Flash为存储介质的高速图像数据存储系统设计

摘 要： 针对某系统图像数据量大、传输速率快的特点，提出了采用PCI总线协议完成PC与高速数据存储系统之间的通信，利用LVDS总线协议传输数据并进行混合编帧的解决方案。为提高数据存储速率，使用Flash交叉双平面页编程技术，将写入速度提高到30 MB/s，有效地满足了图像高速存储的要求。针对数据的码率匹配，通过构建片内FIFO缓存来实现。测试结果表明，所设计的数据存储系统能够稳定地接收并存储图像数据，而且具有很高的可靠性。

数据采集与存储技术已经在图像数据处理、遥测信息分析、语音识别、GPS导航、可视电话等一系列高速信号记录系统中扮演着越来越重要的角色，并且逐步渗透到其他重要领域。在航天应用领域，为了了解飞行舱内的情况，飞行器在执行飞行任务的过程中，地面需要对飞行舱内的环境进行持续监测，从而精确地获取舱体内部的各种参数信息。通过事后分析这些信息，可对飞行器的性能进行评价并为下次飞行试验做好准备。然而，由于图像数据传输速度快，信息量大，飞行舱的空间有限，因此，需要设计出一种具有采集与存储速度快、容量大、体积小、抗干扰能力强、可靠性高的数据存储系统[1]。

在数据存储系统中，影响存储速率的关键因素是数据传输和存储方式。采用LVDS总线传输方式和混合编帧技术提高了数据接收的速率；为提高数据存储器存储速率，本文采用了一种可使Flash存储速度达到最优的交叉双平面页编程技术[1-3]。

1 系统总体设计

本文设计的高速数据存储系统用于完成对飞行器飞行过程中图像数据的采集、编码和存储。试验结束后，通过PC控制专用的读数装置读取存储系统中的数据,并由PC上的数据处理软件完成数据的分析与处理。在单元测试过程中，PC通过PCI通信接口卡(PCI9054)完成与高速数据存储系统之间的通信，实现指令的下发、在线实时监测状态显示、数据回读、对存储数据的分析以及生成分析报告等功能。系统主要功能模块可划分为：主控单元、PC、地面监控装置、图像采集单元、图像存储器(Flash)、电压转换模块等，如图1所示。

2 关键技术分析

2.1 PCI板卡设计
本文采用PLX公司的PCI9054芯片实现PCI总线接口的逻辑设计。PCI9054的数据宽度为32 bit，本地总线支持复用/非复用的32 bit地址数据总线。PCI总线作为桥接芯片，提供了PCI总线空间、本地总线空间以及配置空间，既能作为PCI总线的发起设备也可作为PCI从设备。FPGA作为本地总线控制器，即PCI局部总线的目标设备，完成PC与下位机的通信。设计采用从模式，基于FPGA和PCI9054的硬件平台完成PCI局部总线的设计，PCI板卡整体设计框图如图2所示。

PCI板卡插入PC的PCI扩展槽使用，如果要正常工作，需要在Windows下编写驱动程序。驱动程序主要实现以下几个功能： (1)连接设备;(2)设备初始化;(3)设备读和写;(4)断开设备。Windows操作系统下驱动程序开发最常用的有DDK、Driverstudio、Windriver等工具。其中DDK的效率最高，但编写难度较大，因而多数技术人员使用Driverstudio、Windriver来编写驱动程序,使用这两种工具编写出来的程序也称为WDM(Windows Device Module)程序。DriverStudio中的DriverWorks软件为WDM驱动程序提供了完整的框架，本设计利用其DriverWizard生成驱动程序框架，然后添加各功能函数。此处利用类KMemoryRange实现对PCI9054内部存储器的读写访问，类KIoRange实现对其寄存器的访问[4]。

2.2 LVDS图像采集编帧技术
图像数据由LVDS接口输入,图3所示为图像信号接口时序，经解串器DS90CR216解码后转换为21 bit并行总线输出。图像数据的帧同步信号周期为10 ms，高电平有效， 每帧有289行有效数据； 行同步信号周期为32 μs，高电平有效，每行有384个有效数据；其中，像素时钟为15 MHz，图像像素时钟的上升沿为触发条件。帧同步信号低电平期间仍有(10÷0.032)-289=23.5个行同步信号,即帧同步信号低电平的时间应为23.5×0.032 ms= 0.752 ms。帧同步信号高电平的时间为9.248 ms，行同步低电平的时间为32-(384÷15)=6.4 μs。

测量信息伴随着图像数据而来，每接收一帧图像就接收80 B的测量信息，测量信息的串行传输波特率为115 200 b/s，每包测量信息的数据共10 bit。为便于PC进行图像数据分析处理，在测量信息的数据前加上帧头0X“14 92 00”和2 B帧计数。待80 B测量信息全部读取出来后，给出图像采集模块的复位信号，同时清零行计数器并清空片内FIFO中的信息，将采集到的一帧图像数据和编好帧的测量信息写入二选一数据选择器。在帧同步信号高电平期间，将图像数据写入外部16 KB的FIFO(IDT7206)；在帧同步信号低电平期间，将测量信息写入，最后等待图像记录启动信号。