基于CPLD的数据格式器的设计

　　1　概述

　　成像光谱仪具有数据量大、传输速率高、有固定的帧格式等特点。如何确保海量连续的成像光谱数据无错存储,一直是个难点。目前最为方便的数据记录设备就是计算机硬盘,通常硬盘的记录效率主要由硬盘的转速、平均寻道时间、平均潜伏时间、平均访问时间、突发数据传输率和最大内部数据传输率等指标决定。

　　在成像光谱仪中,图像数据首先通过数据采集卡传输到计算机的内存,经过CPU的处理,再记录到硬盘。在成像光谱数据采集系统的研制过程中,经常会遇到数据记录时间不足导致数据丢失的问题,这主要是由于计算机写盘操作过多,硬盘多次寻道,浪费了大量时间,使得硬盘缓冲区满,导致数据溢出。本文针对这一问题设计了一种数据格式器,可有效地解决数据采集过程中的数据丢失问题,下面进行具体的描述。

　　2　系统组成

　　本数据格式器主要为一成像光谱数据采集系统设计。数据速率为2. 048MByte/s,字同步时钟1MHz,每行含2 048个12位量化的光谱数据,如图1所示。

　　为了能够缩短系统的开发周期和保证数据的传输速度,数据采集系统我们采用了基于PLX9080控制芯片的数据采集卡PCI7300,PCI7300数据采集卡的总线传输速度能够达到40MByte/s,它支持DMA传输方式。数据采集系统的结构框图如图2所示。

　　管PCI7300支持DMA数据传输,数据源的数据速率相对很慢(2MByte/s相比于40MByte/s),PCI7300数据采集卡始终占据着计算机内部总线,但是,如果系统不采用本文所设计数据格式器,记录1MByte/s的数据都会发生丢失的现象。这是因为当计算机内存中的缓冲区满之后,才开始执行记录到硬盘的操作,因此在一帧数据2ms的时间中,大部分时间被用于从数据源经PCI7300数据采集卡到计算机内存中,而只有很短的时间被用来记录到硬盘。

　　硬盘的平均访问时间为11ms~18ms,也就是说,如果每帧数据都执行一次写盘操作,在下一帧数据采集完毕的时候,硬盘控制器还没有为上一帧的数据找到目标扇区,一般硬盘的缓冲区为512KByte或者2MByte,缓冲区很快就会满,从而带来的后果是容易导致数据的丢失。本数据格式器的设计思想就是将多帧光谱数据缓存到256KByte的时候,一次写入硬盘,通过减少写盘操作的次数来提高数据采集系统的性能。

　　3　硬件设计

　　数据格式器主要由总线开关FST16233、64K×16bit的SRAM cy7c1021、控制芯片Altera EPM7128以及晶振组成。

　　AlteraEPM7128属于MAX7000系列,以第二代多阵列矩阵结构为基础,是一种高性能的CMOSEEPROM器件;通过JTAG接口实现在线编程;可用2 500门,128个宏单元,8个逻辑阵列块。最多引脚数100,工作频率可以达到178.6MHz。