CN103324583A - 一种光纤陀螺离线高速数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺离线高速数据采集方法。该方法步骤如下：FPGA芯片对SD卡进行初始化，初始化完成后，SD卡进入SPI工作模式，激活SPI通信总线；读取SD卡指定地址内数据，根据地址内数据配置数据采集的发送帧格式、写入帧速度、定时器；在FPGA芯片中建立一个2048字节的数据缓存区；FPGA芯片通过SPI通信总线控制SD卡，进行光纤陀螺数据写入和光纤陀螺数据读取，完成数据采集过程。本发明可以离线高速采集光纤陀螺数据，突破在线数据采集方法对光纤陀螺测试数据传输速度的限制，速度达到2.5MB/s；本发明环境适应性好，有效提高光纤陀螺测试数据采集可靠性。

Description

一种光纤陀螺离线高速数据采集方法

技术领域

本发明涉及数据采集方法，尤其是涉及一种光纤陀螺离线高速数据采集方法。

背景技术

SD卡（Secure Digital Memory Card安全数字存储卡）是一种基于半导体闪存工艺的存储卡，1999年，由日本松下、东芝及美国Sandisk公司共同研制完成。当前，人们对大数据量的高速采集与存储需求越来越高。SD卡作为新一代数据存储设备，具有体积小、容量高、传输速率快、能耗低一级安全性高等特点，很好的满足了市场的具体需求，被广泛应用于电子设备和工业控制领域中。SD卡存储器工作温度零下40摄氏度至85摄氏度，可在恶劣环境使用。现有的实时数据采集系统，在对SD卡操作时，会出现由于过度频繁的小量数据写入以及数据删除需求，使得处理器浪费大量资源用于处理低速外设，在采集数据和存储数据之间反复切换，导致实时性能受到影响。

FPGA芯片（Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列）起源于20世纪70年代，是在专用集成电路的基础上发展起来的一种新型逻辑器件，也是当今数字系统设计的主要硬件平台。FPGA芯片继承了专用集成电路的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了专用集成电路设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，规模越来越大、开发过程投资小、可反复编程及擦除、保密性能好、开发工具智能化，涵盖了实时化数字信号处理技术、高速数据收发器、复杂计算以及嵌入式系统设计技术的全部内容。

光纤陀螺是一种敏感角速率的光纤传感器。光纤陀螺具有体积小、质量轻、精度范围广、无运动部件等优点，是一种新型的全固态惯性仪表。由于光纤陀螺在航空、航天、航海及兵器等应用领域的重要性，从一开始就受到了世界各国特别是军方的密切关注，并得以迅速发展，已成为21世纪惯性测量与制导领域的主流仪表之一。

中高精度光纤陀螺集成了角速率、温度、气压等精密传感器件，输出数据具有精度高、数据量大等特点。使用光纤陀螺前需要模拟光纤陀螺实际应用环境，进行静态、动态、可靠性等多种测试。现有光纤陀螺数据采集系统依赖于电缆，在测试中存在明显的缺陷：1. 数据传输速度慢。目前的光纤陀螺测试数据传输大多采用串口通信协议，在环境控制设备（如温箱、转台）外使用电脑接收数据，由于通信链路没有缓存区、数据处理模块非硬件实现等原因导致速度不高。2. 数据传输可靠性差。光纤陀螺测试中环境控制设备内环境需要与外环境严格隔离，数据传输从内环境至外环境经过数据转换装置（如金属滑环等），实际数据链路过长，导致通信过程可靠性差，容易受到环境干扰；光纤陀螺可靠性测试要求外环境中接收数据使用的电脑长时间工作，可靠性不足。

发明内容

针对目前光纤陀螺测试数据量大、可靠性要求高，而又缺少简单高效数据采集方法和系统的现状，本发明的目的在于提供一种离线高速数据采集方法，该方法可大幅度提高测试数据采集速度和采集系统可靠性，使用该方法的系统同时降低了数据采集过程的功耗。

实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

1、FPGA芯片对SD卡按照时钟模块提供的时钟信号进行初始化，初始化完成后，SD卡进入SPI工作模式，激活SPI通信总线；

2、读取SD卡指定地址内数据，根据地址内数据配置数据采集的发送帧格式、写入帧速度、定时器；

3、在FPGA芯片中建立一个2048字节的缓存区；

4、FPGA芯片通过SPI通信总线控制SD卡，进行光纤陀螺数据写入和光纤陀螺数据读取，完成数据采集过程。

所述步骤4中光纤陀螺数据写入和光纤陀螺数据读取的步骤如下：

4.1、如果进行光纤陀螺数据写入，操作如下：

4.1.1如果数据量小于缓存区大小，将光纤陀螺数据写入缓存区并启动定时器；

4.1.2定时器到时前如果没有第二次光纤陀螺数据写入，将缓存区内的光纤陀螺数据写入SD卡；

4.1.3如果光纤陀螺数据量大于或等于缓存区大小，及时将光纤陀螺数据写入SD卡中，向FPGA芯片申明缓存区满状态；

4.2、如果进行光纤陀螺数据读取，操作如下：

4.2.1光纤陀螺数据占用一个SD卡存储块，FPGA芯片向SD卡发送单块读取命令，将SD卡存储块内数据写入缓存区，之后按照步骤2中配置的发送帧格式将缓存区数据发出；

4.2.2光纤陀螺数据占用多个SD卡存储块，FPGA芯片向SD卡发送连续读取命令，将SD卡存储块内数据写入缓存区，缓存区满时暂停读取，按照步骤2中配置的发送帧格式将缓存区的数据发出，发送完成后，清空缓存区；重复该4.2.2步骤直至读取完成。

所述光纤陀螺数据采集方法包括如下的软件模块：

时钟模块，将外界时钟输入转化为所需频率时钟信号；

数据缓存区模块，用于输入、输出数据的缓存，避免小数据量频繁读写对系统资源的消耗；

SD卡初始化模块，在系统上电或SD卡插入后对SD卡进行初始化并进入SPI工作模式；

数据写入模块和数据读取模块，用于写入或读取光纤陀螺测试数据；

SPI总线模块，负责FPGA芯片与SD卡之间的通信。

本发明具有的有益效果是：

本发明使用FPGA芯片控制SD卡接口，将接收到的光纤陀螺各项数据快速存入SD卡；基于本发明的数据采集系统置于测试设备内环境，光纤陀螺数据直接由采集系统接受，不经过数据转换装置或长数据链路。本发明可以离线高速采集光纤陀螺数据，突破在线数据采集方法对光纤陀螺测试数据传输速度的限制，速度达到2.5MB/s；环境适应性好，有效提高光纤陀螺测试数据采集可靠性。

附图说明

图1是光纤陀螺离线高速数据采集方法软件模块示意图。

图2是光纤陀螺离线高速数据采集电路接口板示意图。

图3是光纤陀螺离线高速数据采集电路FPGA芯片板示意图。

图4是光纤陀螺离线高速数据采集方法实施步骤简图。

图中：101、数据输入接口，102、数据输出及供电接口，103、SD卡接口，104、仿真调试接口，105、工作状态指示灯，106、工作状态指示灯，107、工作状态指示灯，108、插座，109、插座，201、FPGA芯片，202、晶振，203、，204、FPGA芯片板插头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的发明原理：

光纤陀螺是一种敏感角速率的光纤传感器。光纤陀螺具有体积小、质量轻、精度范围广、无运动部件等优点，是一种新型的全固态惯性仪表。由于光纤陀螺在航空、航天、航海及兵器等应用领域的重要性，从一开始就受到了世界各国特别是军方的密切关注，并得以迅速发展，已成为21世纪惯性测量与制导领域的主流仪表之一。中高精度光纤陀螺集成了角速率、温度、气压等精密传感器件，输出数据具有精度高、数据量大等特点。

使用FPGA芯片控制，将数据写入SD卡或读出，可以满足中高精度光纤陀螺测试中高速数据采集的要求，同时具有大容量、可靠性和灵活性。

SD卡有两种可选通讯协议：SD模式和SPI模式。SD模式是SD卡标准的读写方式，但是在选用SD模式时，必须加入额外的SD卡控制单元或芯片以支持SD卡的读写，增加了产品的硬件成本。在SD卡数据读写速度小于20MB/s时，选用SPI模式是最佳解决方案。在SPI模式下，FPGA芯片通过四条数据线即可完成所有数据交换，简化了硬件电路的设计；另外，SPI模式下，FPGA通过发送命令控制SD卡工作，对每一条命令SD卡均有应答且包含故障信息，这种工作方式可以提高数据读写可靠性、简化故障判断难度。SD卡提供9个引脚便于外围电路对其进行操作。在SPI模式下，引脚1作为SPI片选线，引脚2用作SPI总线的数据输出线，引脚3、6作为电源地线，引脚4为电源线，引脚5用作时钟线，引脚7为数据输入线，引脚8、9悬空。

SD卡自身具有完备的命令系统，以实现各项操作。SD卡所有的命令都由6字节组成，发送时首先发送最高位，命令格式如下表：

1字节：命令的开始位为始终为0，1表明是主机发送给SD卡的命令，后面是命令号。命令号由指令标志定义，如CMD39为100111，完整的CMD39第一字节为01100111。

2至5字节：命令参数，有些命令没有参数。例如CMD0命令参数为0。CMD24为写单块命令，命令参数是写入目标地址。

6字节：前7位为CRC校验位，最后一位为停止位0。

如图1所示，一种基于FPGA芯片与SD卡的光纤陀螺离线高速数据采集方法包含以下软件模块：

A、时钟模块：

时钟模块将外界时钟输入转化为所需频率时钟信号。SD卡初始化过程中，输入时钟频率要求100kHz—400kHz；初始化完成后，为提高数据传递速度，输入时钟频率最高可至25MHz。所述模块在系统初始化时提供频率为250kHz的时钟信号，初始化完成后频率提高至20MHz。

B、数据缓存区模块：

用于输入、输出数据的缓存，避免小数据量频繁读写对系统资源的消耗。

C、SD卡初始化模块：

在系统上电或SD卡插入后对SD卡进行初始化并进入SPI工作模式。SD卡初始化非常重要，只有进行了正确的初始化，才能进行读写等操作。在上电初期首先发送74个时钟信号，随后发送复位命令（命令号0），之后再发送初始化命令（命令号55和命令号41），若SD卡回应为8位0，则初始化成功。

D、数据写入模块和数据读取模块：

用于写入或读取光纤陀螺测试数据。SD卡的读写操作均通过发送命令完成。SPI总线模式下支持单块和多块读写操作。

E、SPI总线模块：

SPI总线模块负责FPGA芯片与SD卡之间的通信，控制FPGA芯片与SD卡相连的四条信号线。四条信号线分别是片选信号CS，FPGA芯片输出信号MOSI，SD卡输出信号MISO，SPI总线时钟信号输出SCLK，分别对应SD卡接口的1234引脚。

使用该方法的数据采集电路包含接口板与FPGA芯片板。

接口板示意图如图2，长60mm、宽72mm，包含接口如下：101—数据输入接口，102—数据输出及供电接口，103—SD卡接口，104—仿真调试接口， 105、106、107—工作状态指示灯，108，109—FPGA芯片板插座。图中黑色圆点是焊接点，箭头所示方向为SD卡插入方向。101与102接口为DB9接口，103为金属材质带弹簧卡子的SD卡插座，104为14线牛角插座。101、102、103、104、105、106、107各引脚均通过108、109插座与FPGA芯片板连接。

FPGA芯片板示意图如图3，长42mm、宽36mm，包含主要器件如下：201—FPGA芯片，202—晶振，203、204—FPGA芯片板插头。图中黑色矩形及圆角矩形是晶振焊接点。FPGA芯片为Xilinx公司XC3SLX9，引脚数144。FPGA芯片的对应引脚引至插头203、204，通过插头与接口板连接，完成信号采集与控制。

光纤陀螺测试过程中：101与光纤陀螺数据输出接口相连，102与电源及上位机数据输入接口相连，103与SD卡连接（SD卡插入方向如图中箭头所示），104无连接，105、106、107三只指示灯的亮暗指示不同工作状态；测试完成后通过接口102将SD卡内存储的光纤陀螺数据发出。电路及程序调试通过接口104完成。

数据采集系统外壳可由绝热材料制成或直接填充绝热材料，外壳缝隙处安装橡胶密封圈防潮。该设计可以有效避免温度快速变化时水汽凝结导致的电路短路。

如图4所示，该发明的最佳实施方案的主要步骤是：

1、FPGA芯片对SD卡按照时钟模块提供的时钟信号进行初始化，初始化完成后，SD卡进入SPI工作模式，激活SPI通信总线；

2、读取SD卡指定地址内数据，根据地址内数据配置数据采集的发送帧格式、写入帧速度、定时器；

3、在FPGA芯片中建立一个2048字节的缓存区；

4、FPGA芯片通过SPI通信总线控制SD卡，进行光纤陀螺数据写入和光纤陀螺数据读取，完成数据采集过程。

所述步骤4中光纤陀螺数据写入和光纤陀螺数据读取的步骤如下：

4.1、如果进行光纤陀螺数据写入，操作如下：

4.1.1如果数据量小于缓存区大小，将光纤陀螺数据写入缓存区并启动定时器；

4.1.2定时器到时前如果没有第二次光纤陀螺数据写入，将缓存区内的光纤陀螺数据写入SD卡；

4.1.3如果光纤陀螺数据量大于或等于缓存区大小，及时将光纤陀螺数据写入SD卡中，向FPGA芯片申明缓存区满状态；

4.2、如果进行光纤陀螺数据读取，操作如下：

4.2.1光纤陀螺数据占用一个SD卡存储块，FPGA芯片向SD卡发送单块读取命令，将SD卡存储块内数据写入缓存区，之后按照步骤2中配置的发送帧格式将缓存区数据发出；

4.2.2光纤陀螺数据占用多个SD卡存储块，FPGA芯片向SD卡发送连续读取命令，将SD卡存储块内数据写入缓存区，缓存区满时暂停读取，按照步骤2中配置的发送帧格式将缓存区的数据发出，发送完成后，清空缓存区；重复该4.2.2步骤直至读取完成。

本发明使用FPGA芯片控制SD卡接口，将接收到的光纤陀螺各项数据快速存入SD卡；基于本发明的数据采集系统系统置于测试设备内，光纤陀螺数据直接由采集系统接受，不经过数据转换装置或长数据链路。本发明可以离线高速采集光纤陀螺数据，突破在线数据采集方法对光纤陀螺测试数据传输速度的限制，速度达到2.5MB/s；环境适应性好，有效提高光纤陀螺测试数据采集可靠性。

Claims (3)

1.一种光纤陀螺离线高速数据采集方法，其特征在于，该方法步骤如下：

1.1、FPGA芯片对SD卡按照时钟模块提供的时钟信号进行初始化，初始化完成后，SD卡进入SPI工作模式，激活SPI通信总线；

1.2、读取SD卡指定地址内数据，根据地址内数据配置数据采集的发送帧格式、写入帧速度、定时器；

1.3、在FPGA芯片中建立一个2048字节的缓存区；

1.4、FPGA芯片通过SPI通信总线控制SD卡，进行光纤陀螺数据写入和光纤陀螺数据读取，完成数据采集过程。

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺离线高速数据采集方法，其特征在于，所述1.4步骤中光纤陀螺数据写入和光纤陀螺数据读取的步骤如下：

2.1、如果进行光纤陀螺数据写入，操作如下：

2.1.1如果数据量小于缓存区大小，将光纤陀螺数据写入缓存区并启动定时器；

2.1.2定时器到时前如果没有第二次光纤陀螺数据写入，将缓存区内的光纤陀螺数据写入SD卡；

2.1.3如果光纤陀螺数据量大于或等于缓存区大小，及时将光纤陀螺数据写入SD卡中，向FPGA芯片申明缓存区满状态；

2.2、如果进行光纤陀螺数据读取，操作如下：

2.2.1光纤陀螺数据占用一个SD卡存储块，FPGA芯片向SD卡发送单块读取命令，将SD卡存储块内数据写入缓存区，之后按照1.2步骤中配置的发送帧格式将缓存区数据发出；

2.2.2光纤陀螺数据占用多个SD卡存储块，FPGA芯片向SD卡发送连续读取命令，将SD卡存储块内数据写入缓存区，缓存区满时暂停读取，按照1.2步骤中配置的发送帧格式将缓存区的数据发出，发送完成后，清空缓存区；重复该2.2.2步骤直至读取完成。

3.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺离线高速数据采集方法，其特征在于，所述采集方法包括如下的软件模块：

时钟模块，将外界时钟输入转化为所需频率时钟信号；

数据缓存区模块，用于输入、输出数据的缓存，避免小数据量频繁读写对系统资源的消耗；

SD卡初始化模块，在系统上电或SD卡插入后对SD卡进行初始化并进入SPI工作模式；

数据写入模块和数据读取模块，用于写入或读取光纤陀螺测试数据；

SPI总线模块，负责FPGA芯片与SD卡之间的通信。

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