一种基于FPGA的高速数据采集存储系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的高速数据采集存储系统，包括FPGA核心板、数据采集模块、MPU模块、千兆以太网模块、显示模块、输入输出、存储模块。所述的存储模块通过DDR3与核心器件FPGA连接，显示、鼠标、键盘、千兆网等接口通过MPU模块与PCI‑E Switch连接，实现与FPGA的数据交互。2个MINISAS接口模块直接与FPGA相连进行数据交互。通过系统的软件系统能够实现数据的导入、导出、数据的分析、维护等功能，而且可以实现简单的数据实时分析。本发明专利技术的数据传输速率高、存储量大、可现场扩容和进行坏块处理；系统接口多，具有较高的用户体验度；系统各模块单元之间交互性好，支持远程以太网控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高速数据采集存储系统，特别是涉及一种基于FPGA的高速数据采集存储系统。
技术介绍
伴随着电子产品的日益普及，带动了数据采集技术和数据存储技术的快速发展。特别是在卫星导航、电子、雷达等
，数据采集存储系统越来越发挥着举足轻重的作用。而且对数据采集存储系统的技术要求也日益提高：高数据采样速率、高数据传输速率、海量存储容量、功耗与成本低。传统的数据采集存储系统难以满足这样的要求。近年来发展的FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)技术为新一代高速数据采集存储系统提供了良好的技术支持。FPGA具有非常多的硬件资源，集成在一块芯片上的可用逻辑门电路达千万级别，可以通过内部锁相环得到非常高的时频，内部时耗小，而且效率非常高，结构灵活，能够集成多个控制器、译编码和各种外围接口电路，因此可使用FPGA来设计数据采集与数据存储部分。而在信号处理方面，FPGA由于具有丰富的内核资源，方便使用者的调用。因此，高速数据采集存储系统采用FPGA，可简化设计，提高系统的灵活性和处理速度。中国专利201010623689.5公开了一种基于FPGA的高速数据采集系统，包括接收模拟信号的差分放大单元、与所述差分放大单元相连接的A/D转换单元、与所述A/D转换单元相连接的FPGA处理单元、与所述FPGA处理单元相连接的微处理器，所述微处理器通过通信接口与上位机相连接。但是,该系统存在以下缺陷:1.系统的数据存储容量小、不支持现场扩容，而且无法进行坏块处理。2.系统的接口较少、无软件支持，用户体验度较低。3.系统各模块单元之间交互性差。4.系统不支持远程以太网控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提出一种基于FPGA的高速数据采集存储系统，其数据存储量大、可现场扩容和进行坏块处理；该系统的接口多，在功能强大的软件支持下的用户体验度高；系统各模块单元之间交互性好；并且，该系统支持远程以太网控制。为了解决现有技术的上述问题，本专利技术采用以下技术方案。本专利技术的一种基于FPGA的高速数据采集存储系统，包括数据传输存储硬件系统和数据传输存储软件系统，其特征在于：所述的数据传输存储硬件系统，集成于一个电路板上，包括：FPGA核心板、ETP接插件模块、PCI-E开关模块、MPU子卡模块、千兆以太网口模块、显示模块、输入输出模块、MINISAS接口模块、SSD存储阵列模块、DDR3缓存模块；所述的千兆以太网模块、显示模块、输入输出模块、SSD存储阵列模块通过MPU子卡模块分别与PCI-E开关模块连接，实现与FPGA核心板的数据交互；所述的SSD存储阵列模块通过至少一级DDR3缓存模块与FPGA核心板连接；所述的FPGA核心板包括GTP模块，用于将数据以差分信号的形式进行传输；2个所述的MINISAS接口模块，用于直接与FPGA核心板相连进行数据交互；所述的MPU子卡模块包含ETX-Express连接器，用于与所述的MPU子卡的南桥和北桥的数据传输；所述的SSD存储阵列模块，包括至少一个由Flash闪存介质和控制IC组成的外接固态硬盘；所述的数据传输存储软件系统，包括操作系统、管理软件、MATLAB、通讯协议、盘阵驱动、底层硬件驱动部分，用于数据的导入、导出，数据的分析、维护，以及简单的数据实时分析；用户通过显示模块、输入输出模块的输入输出设备与系统应用程序进行数据交互。进一步的,所述的FPGA核心板采用Xilinx Zynq-7000芯片，其包括的GTP模块的最高数据率为6.125Gbps。进一步的,所述的ETP接插件模块，包括2个96芯的EPT103-40064接插件；所述的EPT103-40064接插件的接口包括4个通道，每个通道可传输4对LVDS数字信号。进一步的,所述的SSD存储阵列模块，包括多个外接固态硬盘，构成多路数据存储通道的电子盘阵。进一步的,所述的PCI-E模块，含有15路可配置端口。进一步的,所述的FPGA核心板中的数据在存入存储阵列之前，需进行以下过程：(1)相位补偿、(2)8b/10b编码、(3)并行到串行的转换。进一步的,所述的SSD存储阵列模块中的数据在输入到FPGA核心板进行数据处理之前，需进行以下过程：(1)时钟的恢复、(2)串行到并行的转换、(3)字节同步、(4)8b/10b编码，以及(5)相位补偿。进一步的,所述的基于FPGA的数据传输存储硬件系统，包括4个所述的数据传输存储硬件系统集成电路板；所述的VPX接口，用于所述的每个数据传输存储硬件系统集成电路板之间的相互通信与数据交互。与现有技术相比,本专利技术的优点和有益效果包括：1.本专利技术系统的存储系统速度快、稳定度高、保密性强。支持现场容量扩充，可直接更换硬盘。而且，多个存储通道并行存储，便于数据的备份转存。2.可同时使用软件和硬件利用损耗均衡算法、ECC校验方法，对存储介质的坏块进行维护。有效防止存储数据的损坏，也可延长FLASH的使用寿命。对于坏块中的数据，读出时可以通过软件进行恢复。采用外接固态硬盘阵列的方式存储，形成电子阵列式的多通道高速存储，便于数据的备份转存，实现高速、大容量存储、回放。单板的持续记录速度≥700MB/s。3.可通过软件操作选择是进行数据的导入还是数据的导出，且可以实现对数据的分析、维护等功能。完善的软件功能，提高了用户体验，减轻数据分析难度。采用标准的MPU子卡来实现键盘、鼠标、千兆网等接口。支持操作系统、管理软件、支持MATLAB等分析软件。4.采用VPX接口作为记录板之间联系的桥梁，记录板之间可以通过它来进行的数据交互。提高整个记录存储系统的效率和灵活性。5.本专利技术的系统采用了2个96芯的EPT103-40064接插件，接插件将背板上的差分信号直接传输给FPGA，而无需与MPU模块或者PCI-E SWITCH连接。通过VPX接插件和其它数据采集记录板互联进行高速的数据传输，最高速率可达1.25GB/S。6.人机交互功能可以通过GUI界面显示，可以显示接收和发送对设备的控制命令、BIT信息、设备的工作状态信息等。支持远程以太网控制。附图说明图1是本专利技术的一个实施例的功能框图。图2是本专利技术的一个实施例的高速收发器(GTP)的内部逻辑原理图。图3是本专利技术的一个实施例的PCI-E Switch功能框图。图4是本专利技术的一个实施例的MPU模块的功能框图。图5是本专利技术的一个实施例的软件架构框图。具体实施方式本专利技术的一种基于FPGA的高速数据采集存储系统，包括数据传输存储硬件系统和数据传输存储软件系统，其数据传输存储硬件系统，集成于一个电路板上，包括：FPGA核心板、ETP接插件模块、PCI-E开关模块、MPU子卡模块、千兆以太网口模块、显示模块、输入输出模块、MINISAS接口模块、SSD存储阵列模块(电子盘阵)、DDR3缓存模块；所述的千兆以太网模块、显示模块、输入输出模块、SSD存储阵列模块通过MPU子卡模块分别与PCI-E开关模块连接，实现与FPGA核心板的数据交互；FPGA模块与PCI-E开关模块之间可以实现数据的交换，PCI-E开关模块的1路X4通道与VPX接口相连，可以实现该接口板与背板上的其它背板实现数据交互，而这些背板之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的高速数据采集存储系统，包括数据传输存储硬件系统和数据传输存储软件系统，其特征在于：所述的数据传输存储硬件系统，集成于一个电路板上，包括：FPGA核心板、ETP接插件模块、PCI‑E开关模块、MPU子卡模块、千兆以太网口模块、显示模块、输入输出模块、MINISAS接口模块、SSD存储阵列模块、DDR3缓存模块；所述的千兆以太网模块、显示模块、输入输出模块、SSD存储阵列模块通过MPU子卡模块分别与PCI‑E开关模块连接，实现与FPGA核心板的数据交互；所述的SSD存储阵列模块通过至少一级DDR3缓存模块与FPGA核心板连接；所述的FPGA核心板包括GTP模块，用于将数据以差分信号的形式进行传输；2个所述的MINISAS接口模块，用于直接与FPGA核心板相连进行数据交互；所述的MPU子卡模块包含ETX‑Express连接器，用于与所述的MPU子卡的南桥和北桥的数据传输；所述的SSD存储阵列模块，包括至少一个由Flash闪存介质和控制IC组成的外接固态硬盘；所述的数据传输存储软件系统，包括操作系统、管理软件、MATLAB、通讯协议、盘阵驱动、底层硬件驱动部分，用于数据的导入、导出，数据的分析、维护，以及简单的数据实时分析；用户通过显示模块、输入输出模块的输入输出设备与系统应用程序进行数据交互。...

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的高速数据采集存储系统，包括数据传输存储硬件系统和数据传输存储软件系统，其特征在于：所述的数据传输存储硬件系统，集成于一个电路板上，包括：FPGA核心板、ETP接插件模块、PCI-E开关模块、MPU子卡模块、千兆以太网口模块、显示模块、输入输出模块、MINISAS接口模块、SSD存储阵列模块、DDR3缓存模块；所述的千兆以太网模块、显示模块、输入输出模块、SSD存储阵列模块通过MPU子卡模块分别与PCI-E开关模块连接，实现与FPGA核心板的数据交互；所述的SSD存储阵列模块通过至少一级DDR3缓存模块与FPGA核心板连接；所述的FPGA核心板包括GTP模块，用于将数据以差分信号的形式进行传输；2个所述的MINISAS接口模块，用于直接与FPGA核心板相连进行数据交互；所述的MPU子卡模块包含ETX-Express连接器，用于与所述的MPU子卡的南桥和北桥的数据传输；所述的SSD存储阵列模块，包括至少一个由Flash闪存介质和控制IC组成的外接固态硬盘；所述的数据传输存储软件系统，包括操作系统、管理软件、MATLAB、通讯协议、盘阵驱动、底层硬件驱动部分，用于数据的导入、导出，数据的分析、维护，以及简单的数据实时分析；用户通过显示模块、输入输出模块的输入输出设备与系统应用程序进行数据交互。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速数据采集存储系统，其特征是：所述的FPGA核心板采用Xilinx Zynq-7000芯片，其包括的GTP...

【专利技术属性】
技术研发人员：林明，杨帆，代品宣，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32