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利用模数转换器和fpga怎么实现数据采集系统?
70 FPGA 数据采集系统 转换器
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数据采集系统是计算机智能仪器与外界物理世界联系的桥梁,是获取信息的重要途径。数据采集技术主要指从传感器输出的微弱电信号,经信号调理、模数转换到存储、记录这一过程所涉及的技术。随着科学技术的进步,特别是以传感器技术、通信技术和计算机技术为基础的现代信息技术的发展,以及测试理论的不断发 展,数据采集技术的发展也是日新月异。
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2019-10-24 08:33:13   评论 分享淘帖 邀请回答
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数据采集系统的核心是中心控制逻辑单元,它对整个系统进行控制和数据处理。数据 采集需要经过两个必要的过程:采样和量化。采样过程是将被测的连续信号离散化,从连续信号中抽取采样信号的时刻值。采样过程由采样/保持器(S/H)完 成。S/H可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内保持不变;在采样方式下,S/H的输出必须跟踪模拟输入电压;在保持方式下,S/H的输出将保持采 样命令发出时刻的电压输入值,直到保持命令撤消为止。采样保持器输入的是连续信号,输出的是离散信号,即采样信号。在采样过程中,采样波形是具有一定幅度的脉冲,采样保持器输出的是对输入连续信号调制后的脉冲信号,输出信号可以看成是连续信号与脉冲信号序列的乘积。采样获得的信号仅仅是连续信号在采 样时刻的值,“为了使采样信号能完全恢复连续信号的频率f(t),采样频率必须不小于信号最高有效频率 的2倍  ”,此定理称为采样定理。模拟信号经过采样保持后就送入模数转换器进行量化,然后将转换成的数字信号输入到中心控制逻辑单元,最后存入存储单元。

二、可编程逻辑器件概述

整个数据采集系统的逻辑控制需要用可编程逻辑器件来实现,FPGA(现场可编程门阵列)和 CPLD(复杂可编程逻辑器件)都是可编程逻辑器件。它们是在PAL(可编程阵列逻辑),GAL(通用阵列逻辑)等逻辑器件的基础上发展起来的,它们弥补了PAL、GAL的缺陷,具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。CPLD和FPGA兼容了PLD和通用门阵列的优点,可实现较大规模的电路,编程也很灵活。与门阵列等其他ASIC(Application Specific IC)相比,它们又具有设计开发周期短、设计成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点,因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。经过了十几年的发展,许多公司都开发出 了多种可编程逻辑器件,比较典型的就是Xilinx公司是FPGA和Altera公司的CPLD器件系列。 Xilinx公司在1985年发明了世界上第一片FPGA,此后Xilinx公司不断创新,推出了一代又一代集成度更高、速度更快的新型FPGA产品。随 着半导体技术的飞速发展,Xilinx公司的FPGA系列产品也经历着巨大的变化。XC3000、XC4000、Spartan和Virtrx系列 FPGA已经被淘汰,SpartanXL和Virtex-E系列也逐渐退出市场。目前SpartanⅡ、SpartanⅡE和Virtex-Ⅱ是 Xilinx公司的主流FPGA。Xilinx公司的FPGA产品分为高密度,高性能和低成本,低密度两种类型。
目前,Xilinx公司的低成本、低密度FPGA产品是ASIC的有效替代产品,被广泛应用于各类低端产品中。SpartanⅡ系列产品是低成本,低密度 类型的代表产品,它们采用成熟的FPGA结构,支持流行的接口标准,具有适量的逻辑资源和片内RAM,并提供灵活的时钟处理。SpartanⅡ系列产品基 于成熟的Virtex-E架构,内核电压采用2.5V,系统性能可达到200MHz,最大系统门数为200 000系统门,内部包括适量的分块RAM(BlockRAM)。SpartanⅡ系列产品支持丰富的接口标准。

本设计中的中心控制逻辑单元采用是低成本,低密度的产品代表SpartanⅡ系列的 XC2S30,它是一块带有972个单元、30 000门的FPGA(可编程逻辑器件),工作频率为200MHz。它具有丰富的门阵列资源,可以实现复杂的逻辑控制。这种芯片在出厂的时候内部没有任何功 能,所具有的功能都必须要经过内部逻辑编程(向芯片内部写程序)才能使用,在硬件所具有性能的范围内,芯片实现功能并无任何限制。

XC2S30的芯片具有高性能、可升级的FPGA逻辑和互连结构;集成了多种系统功能,如数字延迟锁相环(DLL) 、FIFO存储器变换器以及总线接口(PCI);具有专用BlockRAM以及分布式SelectRAM等,可实现多种DSP算法,其DSP解决方案具有 极低的功耗、 高效率的板级空间利用率;产品封装形式为VQ100;由于采用完全的硬件逻辑,所以运行速度相当快,可以做到相同频率情况下的各类CPU或是各类DSP的 几倍甚至几十倍速度。

2019-10-24 15:10:36 评论

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三、模数转换器概述

由于现代数字电子技术的迅速发展,尤其是计算机在自动控制、自动检测以及许多其他领域中的广泛应用,用数字电路处理模拟信号的情况更加普遍。为了能够使用数字电路处理模拟信号,必须把模拟信号转换成相应的数字信号,方能送入数字系统进行处理。我们把从模拟信号到数字信号的转换称为模—数转换。

模数转换器种类繁多,一般可分为直接型与间接型两类。直接型又称比较型,它将模拟输入电压与基准电压比较后直接得到数字输出,逐次逼近式模数转换器和并行式模拟转换器属于此类型;间接型又称为积分型,它先将模拟电压转换成时间间隔或频率信号,然 后再把时间或频率转换成数字量输出。通常间接型的速度比直接型要慢1000倍,双积分式模数转换器属于这种类型。模数转换器在数字量输出方式上有并行输出 和串行输出两种方式。 随着计算机计算精度和计算速度的不断提高,对模数转换器的转换精度和转换速度也提出了更高的要求,正是这种要求有力的推动了模数转换技术的不断进步。事实上,在许多使用计算机的检测、控制或信号处理系统中,系统所能达到的精度和速度最终是由模数转换器的转换精度和转换速度所决定的。因此转换精度和转换速度 是模数转换器的两个重要指标。为了得到较高的转换精度,除了选用分辨率较高的模数转换器外,还必须保证参考电源和供电电源有足够的稳定度,并减小环境温度的变化。

本设计中采用的模数转换器AD9243是ADI公司近年推出的一种3MHz的单电源工作的 14位模数转换(ADC)。它采用低成本、高速度的CMOS处理技术和新颖的结构以便兼顾高分辨率与高速度的性能。它是一个完整的单片ADC电路、片内有高性能、低噪声的取样保持放大器。AD9243片内包含一个可编程基准电压源,可以通过管脚连线选择是产生1V,还是2.5V基准电压。使用单个输入时钟 就能完全控制转换过程,数字输出采用直接二进制编码格式。

四、存储芯片概述

在电子计算机以及其他一些数字系统的工作中,都需要对大量的数据进行存储,因此,存储器也就成了这些数字系统不可缺少的组成部分。半导体存储器是一种能储存大量二值信息的半导体器件。其主要特点是采用大规模集成电路技术构成单个芯片形式或者大容 量的条形动态存储器形式,因而使用方便,价格较低。

半导体存储器种类很多,首先从存、取功能上可以分为只读存储器(Read-Only Memory,简称ROM)、随机存储器(Random Access Memory,简称RAM)、可编程ROM(Programmable Read-Only Memory,简称PROM)、可擦除的可编程ROM(electrically Programmable Read-Only Memory,简称EPROM)、flash memory几种不同类型。

ROM在正常工作状态下只能从中读数据,不能快速地随时修改或重新写入数据。ROM的优点是 电路结构简单,而且在断电以后数据不会丢失。它的缺点是只使用于存储那些固定数据的场合。RAM在正常工作状态下就可以随时向存储器里写入数据或从中读出 数据。PROM中的数据可以由用户根据自己的需要写入,但一经写入以后就不能再修改了。EPROM里的数据则不但可以由用户根据自己的需要写入,而且还能 擦除重写,所以具有更大的使用灵活性。EEPROM的典型优点是非挥发性、可字节擦除、编程速度快(一般小于10ms)。对 EEPROM 编程无需将EEPROM 从系统中移出,从而使存储和刷新数据(或编程)非常方便、有效、可行。EEPROM还使得通过无线电或导线进行远距离编程成为可能,消除了 EEPROM的紫外光擦除窗口,封装成本低,而且测试简单。

flash  memory是1987年提出来的,是从EPROM和EEPROM发展而来的非挥发性存储集成电路,其主要特点是工作速度快、单元面积小、集成度高、可靠性好、可重复擦写10万次以上,数据可靠保持超过10年[11]。 flash  memory按其接口可分为串行和并行两大类。串行flash  memory大多采用I2C接口或SPI接口进行读写;与并行flash  memory相比,所需引脚少、体积小、易于扩展、与单片机或控制器连接简单、工作可靠,所以串行flash  memory越来越多地用在各类电子产品和工业测控系统中。  

本设计中采用的存储芯片K9F1G08是存储容量为1GBit的NAND(“与非”门) Flash芯片,可用于高速实时大容量数据的存储;其外部仅有8 个I/O (输入/输出)管脚,既是地址和数据输入输出的端口,也是命令输入的端口,因而大大节约了芯片的管脚。片内的写控制器使所有的编程和擦除操作得以自动进行,这些自动的操作还包括必要的脉冲重复操作、数据的内部校验以及增加容限操作。读写过程中它是将存储单元数据或外部数据先缓存到页寄存器中,然后读出数 据或仅写入一个字节的编程命令就自动将页寄存器内容写到存储单元中去。因此,它是基于页进行读写,基于块来擦除存储单元的。当然,它也可支持随机读写。这样既简化了用户的操作,也提高了存储速度。

五、隔热材料概述

本设计要求整个信号采集系统在瞬态超高温环境下工作,这类瞬态温度测量工作的特点是温度高,变化快,常为不可重复一次性过程,测量条件非常恶劣。为了保证整个系统的安全性和稳定性,所以需要用隔热材料对整个电路进行封装,保证电路能够正常工作, 准确采集到数据。隔热材料指对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。隔热材料的优劣,主要由材料热传导性能的高低所决定。材料的热传导愈难(即导热系数 愈小),其绝热性能愈好。一般地说,隔热材料的共同特点是轻质、疏松,呈多孔状或纤维状,以其内部不流动的空气来阻隔热的传导。隔热材料的品种很多,按材质分类,可分为无机绝热材料、有机绝热材料和金属绝热材料三大类。现在很多隔热保温材料应用领域,不但要求材料具有隔热、保温作用,还要求材料应具有一定 的强度、防火等等其它特殊性能。如船舶用的硅酸钙隔仓板,要求是轻质、高强、防火,材料担负起多种功能;车辆上用纤维质保温材料,其防火性能也非常重要。纳米技术等高新技术的发展,有可能对隔热保温材料产品的生产应用带来“革命性”的变化。纳米等高技术在共它产品领域的应用,已为隔热保温材料展现了无限的想象空间,技术上的突破已为时不远。如在纤维质隔热材料的成丝过程中,加入具有远红外性能的陶瓷纳米材料,其制品的隔热保温性能会有所提高[16]。本设 计要采用的隔热材料为陶瓷纤维纸,它以陶瓷纤维为主要原料,采用湿法成型工艺制成,具有耐高温、耐化学腐蚀、耐热冲击、低导热系数、高电绝缘强度和高弹性模量等性能。其特点为无石棉、纤维长、渣球少、容重小,有优良的弹性和柔韧性,便于加工;适用于高温下的隔热、保温、密封、电绝缘、吸音、过滤等,可代替 石棉制品,是一种高级轻质耐火材料。

一、本课题要解决的问题

本课题主要是利用模数转换器和可编程逻辑器件及FLASH存储芯片设计一个数据采集系统,同时,研究该数据采集系统在超高温环境下的生存方法和防护措施。

具体来讲,主要是使用Xilinx公司的FPGA器件XC2S30,实现对模数转换器 AD9243和FLASH存储器K9F1G08的时序控制;对K9F1G08的读、页编程、块擦除等的操作时序是由VHDL语言来实现的;绘制电路原理图,做PCB版图是用protel99软件来实现的。

同时还需要设计在瞬态超高温环境下采集系统的防护技术。

二、拟采用的研究手段

传感器将温度转换成范围是-5V~+5V的电压信号,传至由运算放大器及其外围电路构成的信号调理电路,信号调理电路将信号的范围调整到AD输入接口能够接收的信 号范围0~5V,经过模数转换器将模拟信号转化为数字信号后送入FPGA,FPGA再将数据写入FLASH存储芯片, FPGA对FLASH发出读命令后,FPGA可以将数据从FLASH中读取之后送到读数接口,我们即获取所采集的数据。

FPGA在整个系统中主要完成以下的功能:

(1)提供AD 采样时钟,对AD进行读写的控制;

(2)对FLASH存储模块实现读写时序控制。

电路工作期间,各部件的逻辑和时序控制是由FPGA来完成的,它控制中断请求以及某些片选信 号。FPGA 既可实现对存储器的读写、擦除等操作时序的控制,又可作为高速输入数据传输到FLASH的中间缓存。因为FLASH存储数据需要一定的时间, FPGA可以控制FLASH的工作状态,使所有数据完整的写入FLASH,起到了对输入数据的缓冲作用。

上电后,FPGA内部供电电压达到2.5V,I/O口驱动电压大于1V时,FPGA自动开始 初始化;初始化完成后,DONG变低。之后FPGA置 信号为低电平,开始清空配置存储器,清空配置存储器后  信号将被重新置高;配置存储器的清空完成后,器件对配置模式脚M2、M1、M0进行采样,以确定用何种方式来加载配置数据;接着开始下载配置数据,然后为芯片CRC错误检查。另外,通过拉低 也可以对FPGA进行重新配置。

    AD转换器的工作状态是通过逻辑控制模块FPGA生成时钟信号来控制,系统处于采集工作时,AD转换器和FPGA都被赋予同步的时钟信号,使系统在此时钟 信号下进行模数转换。AD9243在内部定时电路中利用了它的时钟的两个边沿,A/D取样模拟输入信号是在时钟的上升沿。在时钟的低电平期间(时钟的下降沿和上升沿之间的时间),输入SHA处于取样状态,在时钟的高电平期间,它处于保持状态。

Flash在CLE 高电平期间于WE的上升沿写入I/O 线上的命令,接着在ALE 高电平期间写入要写入的存储页起始地址,然后输送数据。当一页写满后给出编程确认命令(此时CLE同样需有效) , Flash内部控制器接收到此命令后就将页寄存器的内容写到所指定的页存储单元中去。读Flash 整页内容的时序,同写过程一样,先送入Flash 命令和地址,接着Flash 内部控制器将所指定的页内容读到页寄存器中,待R/ 变高后在RE下降沿将页寄存器中内容读出。当系统进行读操作时,FPGA 开始送给Flash 专用的读命令、地址和相应时序,在RE下降沿将页寄存器中内容读到FPGA。读过程中,在读完某组Flash 的页n后接着读下组的页n ,因此读回的数据与外部数据进入的顺序完全一致。
2019-10-24 15:10:51 评论

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一、数据采集系统概述
     数据采集系统是计算机智能仪器与外界物理世界联系的桥梁,是获取信息的重要途径。数据采集技术主要指从传感器输出的微弱电信号,经信号调理、模数转换到存储、记录这一过程所涉及的技术。随着科学技术的进步,特别是以传感器技术、通信技术和计算机技术为基础的现代信息技术的发展,以及测试理论的不断发 展,数据采集技术的发展也是日新月异。

数据采集系统的核心是中心控制逻辑单元,它对整个系统进行控制和数据处理。数据 采集需要经过两个必要的过程:采样和量化。采样过程是将被测的连续信号离散化,从连续信号中抽取采样信号的时刻值。采样过程由采样/保持器(S/H)完 成。S/H可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内保持不变;在采样方式下,S/H的输出必须跟踪模拟输入电压;在保持方式下,S/H的输出将保持采 样命令发出时刻的电压输入值,直到保持命令撤消为止。采样保持器输入的是连续信号,输出的是离散信号,即采样信号。在采样过程中,采样波形是具有一定幅度的脉冲,采样保持器输出的是对输入连续信号调制后的脉冲信号,输出信号可以看成是连续信号与脉冲信号序列的乘积。采样获得的信号仅仅是连续信号在采 样时刻的值,“为了使采样信号能完全恢复连续信号的频率f(t),采样频率必须不小于信号最高有效频率 的2倍  ”,此定理称为采样定理。模拟信号经过采样保持后就送入模数转换器进行量化,然后将转换成的数字信号输入到中心控制逻辑单元,最后存入存储单元。

二、可编程逻辑器件概述

整个数据采集系统的逻辑控制需要用可编程逻辑器件来实现,FPGA(现场可编程门阵列)和 CPLD(复杂可编程逻辑器件)都是可编程逻辑器件。它们是在PAL(可编程阵列逻辑),GAL(通用阵列逻辑)等逻辑器件的基础上发展起来的,它们弥补了PAL、GAL的缺陷,具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。CPLD和FPGA兼容了PLD和通用门阵列的优点,可实现较大规模的电路,编程也很灵活。与门阵列等其他ASIC(Application Specific IC)相比,它们又具有设计开发周期短、设计成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点,因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。经过了十几年的发展,许多公司都开发出 了多种可编程逻辑器件,比较典型的就是Xilinx公司是FPGA和Altera公司的CPLD器件系列。 Xilinx公司在1985年发明了世界上第一片FPGA,此后Xilinx公司不断创新,推出了一代又一代集成度更高、速度更快的新型FPGA产品。随 着半导体技术的飞速发展,Xilinx公司的FPGA系列产品也经历着巨大的变化。XC3000、XC4000、Spartan和Virtrx系列 FPGA已经被淘汰,SpartanXL和Virtex-E系列也逐渐退出市场。目前SpartanⅡ、SpartanⅡE和Virtex-Ⅱ是 Xilinx公司的主流FPGA。Xilinx公司的FPGA产品分为高密度,高性能和低成本,低密度两种类型。
目前,Xilinx公司的低成本、低密度FPGA产品是ASIC的有效替代产品,被广泛应用于各类低端产品中。SpartanⅡ系列产品是低成本,低密度 类型的代表产品,它们采用成熟的FPGA结构,支持流行的接口标准,具有适量的逻辑资源和片内RAM,并提供灵活的时钟处理。SpartanⅡ系列产品基 于成熟的Virtex-E架构,内核电压采用2.5V,系统性能可达到200MHz,最大系统门数为200 000系统门,内部包括适量的分块RAM(BlockRAM)。SpartanⅡ系列产品支持丰富的接口标准。

本设计中的中心控制逻辑单元采用是低成本,低密度的产品代表SpartanⅡ系列的 XC2S30,它是一块带有972个单元、30 000门的FPGA(可编程逻辑器件),工作频率为200MHz。它具有丰富的门阵列资源,可以实现复杂的逻辑控制。这种芯片在出厂的时候内部没有任何功 能,所具有的功能都必须要经过内部逻辑编程(向芯片内部写程序)才能使用,在硬件所具有性能的范围内,芯片实现功能并无任何限制。

XC2S30的芯片具有高性能、可升级的FPGA逻辑和互连结构;集成了多种系统功能,如数字延迟锁相环(DLL) 、FIFO存储器变换器以及总线接口(PCI);具有专用BlockRAM以及分布式SelectRAM等,可实现多种DSP算法,其DSP解决方案具有 极低的功耗、 高效率的板级空间利用率;产品封装形式为VQ100;由于采用完全的硬件逻辑,所以运行速度相当快,可以做到相同频率情况下的各类CPU或是各类DSP的 几倍甚至几十倍速度。
2019-10-24 15:10:56 评论

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三、模数转换器概述

由于现代数字电子技术的迅速发展,尤其是计算机在自动控制、自动检测以及许多其他领域中的广泛应用,用数字电路处理模拟信号的情况更加普遍。为了能够使用数字电路处理模拟信号,必须把模拟信号转换成相应的数字信号,方能送入数字系统进行处理。我们把从模拟信号到数字信号的转换称为模—数转换。

模数转换器种类繁多,一般可分为直接型与间接型两类。直接型又称比较型,它将模拟输入电压与基准电压比较后直接得到数字输出,逐次逼近式模数转换器和并行式模拟转换器属于此类型;间接型又称为积分型,它先将模拟电压转换成时间间隔或频率信号,然 后再把时间或频率转换成数字量输出。通常间接型的速度比直接型要慢1000倍,双积分式模数转换器属于这种类型。模数转换器在数字量输出方式上有并行输出 和串行输出两种方式。 随着计算机计算精度和计算速度的不断提高,对模数转换器的转换精度和转换速度也提出了更高的要求,正是这种要求有力的推动了模数转换技术的不断进步。事实上,在许多使用计算机的检测、控制或信号处理系统中,系统所能达到的精度和速度最终是由模数转换器的转换精度和转换速度所决定的。因此转换精度和转换速度 是模数转换器的两个重要指标。为了得到较高的转换精度,除了选用分辨率较高的模数转换器外,还必须保证参考电源和供电电源有足够的稳定度,并减小环境温度的变化。

本设计中采用的模数转换器AD9243是ADI公司近年推出的一种3MHz的单电源工作的 14位模数转换(ADC)。它采用低成本、高速度的CMOS处理技术和新颖的结构以便兼顾高分辨率与高速度的性能。它是一个完整的单片ADC电路、片内有高性能、低噪声的取样保持放大器。AD9243片内包含一个可编程基准电压源,可以通过管脚连线选择是产生1V,还是2.5V基准电压。使用单个输入时钟 就能完全控制转换过程,数字输出采用直接二进制编码格式。

四、存储芯片概述

在电子计算机以及其他一些数字系统的工作中,都需要对大量的数据进行存储,因此,存储器也就成了这些数字系统不可缺少的组成部分。半导体存储器是一种能储存大量二值信息的半导体器件。其主要特点是采用大规模集成电路技术构成单个芯片形式或者大容 量的条形动态存储器形式,因而使用方便,价格较低。

半导体存储器种类很多,首先从存、取功能上可以分为只读存储器(Read-Only Memory,简称ROM)、随机存储器(Random Access Memory,简称RAM)、可编程ROM(Programmable Read-Only Memory,简称PROM)、可擦除的可编程ROM(electrically Programmable Read-Only Memory,简称EPROM)、flash memory几种不同类型。

ROM在正常工作状态下只能从中读数据,不能快速地随时修改或重新写入数据。ROM的优点是 电路结构简单,而且在断电以后数据不会丢失。它的缺点是只使用于存储那些固定数据的场合。RAM在正常工作状态下就可以随时向存储器里写入数据或从中读出 数据。PROM中的数据可以由用户根据自己的需要写入,但一经写入以后就不能再修改了。EPROM里的数据则不但可以由用户根据自己的需要写入,而且还能 擦除重写,所以具有更大的使用灵活性。EEPROM的典型优点是非挥发性、可字节擦除、编程速度快(一般小于10ms)。对 EEPROM 编程无需将EEPROM 从系统中移出,从而使存储和刷新数据(或编程)非常方便、有效、可行。EEPROM还使得通过无线电或导线进行远距离编程成为可能,消除了 EEPROM的紫外光擦除窗口,封装成本低,而且测试简单。

flash  memory是1987年提出来的,是从EPROM和EEPROM发展而来的非挥发性存储集成电路,其主要特点是工作速度快、单元面积小、集成度高、可靠性好、可重复擦写10万次以上,数据可靠保持超过10年[11]。 flash  memory按其接口可分为串行和并行两大类。串行flash  memory大多采用I2C接口或SPI接口进行读写;与并行flash  memory相比,所需引脚少、体积小、易于扩展、与单片机或控制器连接简单、工作可靠,所以串行flash  memory越来越多地用在各类电子产品和工业测控系统中。  

本设计中采用的存储芯片K9F1G08是存储容量为1GBit的NAND(“与非”门) Flash芯片,可用于高速实时大容量数据的存储;其外部仅有8 个I/O (输入/输出)管脚,既是地址和数据输入输出的端口,也是命令输入的端口,因而大大节约了芯片的管脚。片内的写控制器使所有的编程和擦除操作得以自动进行,这些自动的操作还包括必要的脉冲重复操作、数据的内部校验以及增加容限操作。读写过程中它是将存储单元数据或外部数据先缓存到页寄存器中,然后读出数 据或仅写入一个字节的编程命令就自动将页寄存器内容写到存储单元中去。因此,它是基于页进行读写,基于块来擦除存储单元的。当然,它也可支持随机读写。这样既简化了用户的操作,也提高了存储速度。

五、隔热材料概述

本设计要求整个信号采集系统在瞬态超高温环境下工作,这类瞬态温度测量工作的特点是温度高,变化快,常为不可重复一次性过程,测量条件非常恶劣。为了保证整个系统的安全性和稳定性,所以需要用隔热材料对整个电路进行封装,保证电路能够正常工作, 准确采集到数据。隔热材料指对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。隔热材料的优劣,主要由材料热传导性能的高低所决定。材料的热传导愈难(即导热系数 愈小),其绝热性能愈好。一般地说,隔热材料的共同特点是轻质、疏松,呈多孔状或纤维状,以其内部不流动的空气来阻隔热的传导。隔热材料的品种很多,按材质分类,可分为无机绝热材料、有机绝热材料和金属绝热材料三大类。现在很多隔热保温材料应用领域,不但要求材料具有隔热、保温作用,还要求材料应具有一定 的强度、防火等等其它特殊性能。如船舶用的硅酸钙隔仓板,要求是轻质、高强、防火,材料担负起多种功能;车辆上用纤维质保温材料,其防火性能也非常重要。纳米技术等高新技术的发展,有可能对隔热保温材料产品的生产应用带来“革命性”的变化。纳米等高技术在共它产品领域的应用,已为隔热保温材料展现了无限的想象空间,技术上的突破已为时不远。如在纤维质隔热材料的成丝过程中,加入具有远红外性能的陶瓷纳米材料,其制品的隔热保温性能会有所提高[16]。本设 计要采用的隔热材料为陶瓷纤维纸,它以陶瓷纤维为主要原料,采用湿法成型工艺制成,具有耐高温、耐化学腐蚀、耐热冲击、低导热系数、高电绝缘强度和高弹性模量等性能。其特点为无石棉、纤维长、渣球少、容重小,有优良的弹性和柔韧性,便于加工;适用于高温下的隔热、保温、密封、电绝缘、吸音、过滤等,可代替 石棉制品,是一种高级轻质耐火材料。

2019-10-24 15:11:11 评论

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一、本课题要解决的问题

本课题主要是利用模数转换器和可编程逻辑器件及FLASH存储芯片设计一个数据采集系统,同时,研究该数据采集系统在超高温环境下的生存方法和防护措施。

具体来讲,主要是使用Xilinx公司的FPGA器件XC2S30,实现对模数转换器 AD9243和FLASH存储器K9F1G08的时序控制;对K9F1G08的读、页编程、块擦除等的操作时序是由VHDL语言来实现的;绘制电路原理图,做PCB版图是用protel99软件来实现的。

同时还需要设计在瞬态超高温环境下采集系统的防护技术。

二、拟采用的研究手段

传感器将温度转换成范围是-5V~+5V的电压信号,传至由运算放大器及其外围电路构成的信号调理电路,信号调理电路将信号的范围调整到AD输入接口能够接收的信 号范围0~5V,经过模数转换器将模拟信号转化为数字信号后送入FPGA,FPGA再将数据写入FLASH存储芯片, FPGA对FLASH发出读命令后,FPGA可以将数据从FLASH中读取之后送到读数接口,我们即获取所采集的数据。

FPGA在整个系统中主要完成以下的功能:

(1)提供AD 采样时钟,对AD进行读写的控制;

(2)对FLASH存储模块实现读写时序控制。

电路工作期间,各部件的逻辑和时序控制是由FPGA来完成的,它控制中断请求以及某些片选信 号。FPGA 既可实现对存储器的读写、擦除等操作时序的控制,又可作为高速输入数据传输到FLASH的中间缓存。因为FLASH存储数据需要一定的时间, FPGA可以控制FLASH的工作状态,使所有数据完整的写入FLASH,起到了对输入数据的缓冲作用。

上电后,FPGA内部供电电压达到2.5V,I/O口驱动电压大于1V时,FPGA自动开始 初始化;初始化完成后,DONG变低。之后FPGA置 信号为低电平,开始清空配置存储器,清空配置存储器后  信号将被重新置高;配置存储器的清空完成后,器件对配置模式脚M2、M1、M0进行采样,以确定用何种方式来加载配置数据;接着开始下载配置数据,然后为芯片CRC错误检查。另外,通过拉低 也可以对FPGA进行重新配置。

    AD转换器的工作状态是通过逻辑控制模块FPGA生成时钟信号来控制,系统处于采集工作时,AD转换器和FPGA都被赋予同步的时钟信号,使系统在此时钟 信号下进行模数转换。AD9243在内部定时电路中利用了它的时钟的两个边沿,A/D取样模拟输入信号是在时钟的上升沿。在时钟的低电平期间(时钟的下降沿和上升沿之间的时间),输入SHA处于取样状态,在时钟的高电平期间,它处于保持状态。

Flash在CLE 高电平期间于WE的上升沿写入I/O 线上的命令,接着在ALE 高电平期间写入要写入的存储页起始地址,然后输送数据。当一页写满后给出编程确认命令(此时CLE同样需有效) , Flash内部控制器接收到此命令后就将页寄存器的内容写到所指定的页存储单元中去。读Flash 整页内容的时序,同写过程一样,先送入Flash 命令和地址,接着Flash 内部控制器将所指定的页内容读到页寄存器中,待R/ 变高后在RE下降沿将页寄存器中内容读出。当系统进行读操作时,FPGA 开始送给Flash 专用的读命令、地址和相应时序,在RE下降沿将页寄存器中内容读到FPGA。读过程中,在读完某组Flash 的页n后接着读下组的页n ,因此读回的数据与外部数据进入的顺序完全一致。
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