摘要：为完结对水声信号的多通道同步收集并存储，提出了一种依据FPGA的多通道信号同步收集、高速大容量实时存储的体系规划方案，并完结体系的软硬件规划。该体系的硬件部分选用模块化规划，经过FPGA丰厚的外围接口完结模块间的数据交互，软件部分选用Verilog HDL硬件描绘言语进行编程，能够灵敏的完结信号的收集及存储。实践运用标明，该规划具有功耗低，可高速实时存储，存储容量大，通用性强，易于扩展晋级等特色。
水声信号收集存储体系是海洋环境查询仪器的重要组成部分。展开水声环境查询所运用的海洋仪器要求设备通道多、同步性好、采样率高、数据存储容量大。市场上常见的数据收集器多是收集某些固定品种的信号，动态规模比较小，通道数一般也比较少，有些还要求与主机进行接口等，这些都约束了其在水声信号收会集的运用。为满足需求，本文规划了合适于水声数据收集存储的较为通用的体系，体系单板具有8个收集通道，多个单板级联可完结多通道同步收集、USB高速存储。
1 全体规划
该体系全体结构如图1所示，上级电路经过级联接口发送收集指令，单片机初始化操控FPGA，操控FPGA首要判别单板是否为级联单板，再初始化相应的FPGA。收集模块的FPGA向需求同步收集的通道对应的A/D芯片供给一致的时钟，使得A/D同步的挑选相应的通道进行数据的同步采样和转化，其成果传给担任缓存的FPGA，缓存在DDR对应的存储空间，然后由ARM操控存储模块的FPGA从DDR空间读取数据进行本地存储。
2 体系硬件规划
体系硬件首要由操控模块、数据收集模块、缓存模块、存储模块几部分组成，体系硬件结构图如图2所示。单片机功耗低、接口丰厚、牢靠性高，被体系用做上电引导芯片;FPGA器材具有集成度高、内部资源丰厚、特别合适处理多路并行数据等显着优于一般微处理器的特色，所以体系选用XILINX公司不同类型的FPGA作为不同模块的主控芯片。针对体系规划中对收集存储实时性和同步性的要求，存储模块选用FPGA与ARM相结合的规划，收集主操控逻辑用ARM完结，FPGA担任数据的高速传输和存储。
操控模块相当于体系的值勤电路，当体系作为从板作业时，只要操控模块和数据收集模块带电，其他模块封闭。因为FPGA内核电压只要1.2 V，在这种情况下体系作业电流不大于1 A，低功耗的规划确保体系可在无人值守的情况下长期接连进行收集存储作业。体系需求多通道数据一起收集存储时，用户经过装备主板的操控模块参数设定8、16或32通道收集，主控FPGA经过级联接口发送一致的收集时钟到体系从板，然后完结体系多通道水声信号的同步收集及存储。别的，经过单片机接口也能够随时监控体系作业状况，体系具有修正功用，收集存储过程中呈现错误时，可依据用户装备主动进行相应的错误处理。
数据收集模块具有8路数据收集存储通道，每通道选用TI公司的24位高精度模数转化器ADS1258，A/D选用15.36 MHz的外部输入时钟。规划中数字电源、模仿电源、参阅电压独自布线，确保8通道信号隔离度简直为零，降低了体系丈量噪声。模块中FPGA并行操控多路数据转化，包含转化发动、转化同步、转化中止、转化数据输出等。
数据缓存模块选用64M byte的DDR作为缓存，因为DDR在一个时钟周期内进行两次数据传输操作，它能够在时钟的上升沿和下降沿各传输一次数据，具有双倍的数据传输量，DDR能够在与SDRAM相同的总线频率下到达更高的数据传输率。缓存模块中的FPGA对DDR的数据写入和存储
模块中的FPGA对数据的读取是经过兵乓传输结构完结的。当FPGA写满DDR上半区后，向存储模块请求中止，存储模块呼应中止后，读出上半区数据到存储模块;一起FPGA向DDR的下半区写数据，写满下半区后也向存储模块宣布中止，告诉存储模块读出下半区数据。经过乒乓传输确保了体系数据收集和数据传输可接连进行。
数据存储模块的作用是将多通道24 bit数据经过缓存模块，按采样的时刻次第，以低字节到高字节的次第，顺次将其写入电子硬盘。体系选用IPD的iPD-USB型300G电子硬盘作为存储器。因为它没有一般硬盘的旋转介质，因此抗震性极佳，一起作业温度很宽，可作业在-40～+85℃，再加上分量较硬盘轻许多，十分适用于水下声信号收集存储设备。依据体系要求，选用USB底层芯片合作存储模块完结大容量高速USB存储，速度可达480Mbit/s，比全速USB存储快了40倍。
3 体系软件规划
程序规划选用Verilog HDL硬件描绘言语，软件选用模块化规划，提高了程序的可移植性和可维护性。体系的软件首要分为初始化模块、水声数据收集模块、数据缓存模块、数据存储模块、中止服务程序模块等构成。初始化程序仅在体系复位及程序开始时履行一次，完结各模块主控芯片及外围电路的初始化;数据收集模块经过模仿量输入端口收集水声信号;数据缓存模块担任将DDR中缓存的数据顺次输出给存储模块;数据存储模块每分钟向电子硬盘中写入一个文件。软件规划的流程图如图3所示。
4 试验运用
4.1 试验室测验成果
体系的功能测验是确保体系安稳，牢靠作业的重要手法。在试验室测验过程中，首要对体系的全体功能进行调查，其间包含：多通道收集同步差错、数据吞吐量、体系功耗、自噪声等。测验成果如表1所示。
4. 2 海上试验成果
本体系运用的海洋环境噪声丈量潜标在我国某海域进行了海上试验，体系接连作业3个月，功能安稳牢靠，并获取了很多完好有用的海洋环境噪声数据。丈量的海洋环境噪声功率谱契合海洋环境噪声的天然散布规则。实测海洋环境噪声功率谱如图4所示。
5 定论
本体系选用多FPGA相结合的规划，很好的完结了高速多通道数据收集与存储，而且具体介绍了FPGA各模块的规划办法。本体系规划灵敏，能很简单的扩展为多通道数据收集存储体系，也能很简单的修改为与其他的A/D转化芯片接口。所以本体系可依据不同的运用进行扩展，进一步增强了体系在其他范畴运用的灵敏性。
