CN107329706B - 一种多通道can总线数据记录存储设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多通道CAN总线数据记录存储设备，该多通道CAN总线数据记录存储设备包括FPGA控制器、DSP控制器、多通道总线收发电路、对外插接件、数据存储电路及电源电路；FPGA控制器与DSP控制器连接，FPGA控制器还分别与多通道总线收发电路、数据存储电路连接；对外插接件分别与多通道总线收发电路、电源电路连接；电源电路包括电源转换电路、掉电检测电路及电容储能电路。本发明能在存储设备断电瞬间完整记录CAN总线数据并实现可靠断电，保证CAN总线数据记录的完整性，同时保护了存储芯片，因此，本发明具有数据记录的可靠性高等突出优点。本发明还具有存储容量大、记录时间长、满负载运行不丢数等优点。

Description

一种多通道CAN总线数据记录存储设备
技术领域
本发明涉及总线数据存储技术领域，更为具体来说，本发明为一种多通道CAN总线数据记录存储设备。
背景技术
目前，为维护和提高航天发射装备的可用性，要求航天发射装备系统自身具备对其健康状态进行监测和评估的能力，进而实现可靠性、可用性及全寿命周期内的经济可承受性目标，由此，故障预测与健康管理概念引入到装备领域当中。故障预测和健康管理系统需分析各种数据信息，借助各种智能推理算法来评估系统自身的健康状态。因此，实现故障预测和健康管理的前提在于系统运行时记录系统设备之间交互的总线数据，尽可能多的从中获取基础信息。
但是，随着装备系统智能化和信息化的发展，各设备之间的总线数据交互速率、数据交互量均大幅的增长，以信息化发射平台的六通道CAN总线为例，在满负载运行时，六通道CAN总线数据量可达每秒15000帧，但是现有CAN总线数据存储设备难以可靠、完整地记录所有CAN总线数据，比如，现有CAN总线数据存储设备可同时记录的CAN总线通道数较少，或者由于其自身传输速度慢而经常出现丢数的现象，特别在发生掉电等意外情况后，现有的CAN总线数据存储设备不仅难以成功地保存数据，而且设备自身也容易损坏，比如正在写入数据的存储芯片极容易损坏、导致掉电瞬间的数据不完整，所以现有CAN总线数据存储设备的可靠性和安全性较差。
因此，现有的CAN总线数据存储设备无法满足信息化发射平台等对多通道总线数据可靠、完整、安全记录的要求，开发出一种传输速度快、可靠性高、安全性好、在掉电等意外情况下保证数据记录完整性的多通道CAN总线数据记录存储设备，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。
发明内容
为解决现有的CAN总线数据存储设备存在传输速度慢、可靠性差、掉电等意外情况下易损坏等问题，本发明创新地开发了一种多通道CAN总线数据记录存储设备，基于DSP+FPGA架构，并结合多通道总线收发电路和电源电路，从而实现了多通道CAN总线数据的高速存储，并提高了存储设备断电可靠性和使用寿命。
为实现上述技术目的，本发明公开了一种多通道CAN总线数据记录存储设备，该多通道CAN总线数据记录存储设备包括FPGA控制器、DSP控制器、多通道总线收发电路、对外插接件、数据存储电路及电源电路；所述FPGA控制器与DSP控制器连接，所述FPGA控制器还分别与所述多通道总线收发电路、数据存储电路连接；所述对外插接件分别与所述多通道总线收发电路、电源电路连接，所述对外插接件为信号传输电气接口；所述电源电路包括分别与对外插接件连接的电源转换电路和掉电检测电路，所述电源转换电路还连接有电容储能电路，所述电源转换电路为所述多通道总线收发电路和数据存储电路供电，所述掉电检测电路用于监测电源信号掉电后向DSP控制器发出中断信号，所述DSP控制器在接收中断信号后、依靠所述电容储能电路中的电能将缓存中的数据写入数据存储电路。
基于DSP+FPGA的框架结构，本发明能够同时记录多通道CAN总线数据，解决传统CAN总线数据记录存储设备CAN总线通道少、传输速度慢、可靠性较差等问题；本发明创新采用了用于监测电源信号是否发生掉电的掉电检测电路和用于提供掉电后数据缓存电能支持的电容储能电路，从而解决传统CAN总线数据记录存储设备在掉电等意外情况下易损坏等问题、提高了本发明的可靠性。
进一步地，所述设备还包括USB数据导出电路；所述USB数据导出电路分别与所述FPGA控制器、所述对外插接件连接，用于通过FPGA控制器将数据存储电路内的数据导出、经由对外插接件上传至上位机，以供后期使用。
在能够可靠、安全地记录CAN总线数据的基础上，本发明还能实现将已存储的数据快速、可靠地导出，以便于后期对数据的有效分析、管理及使用。
进一步地，所述数据存储电路包括多个相互并联的eMMC存储器。
采用多片eMMC存储器并联的方式可扩展存储容量，使本发明对数据记录的时间更长，比如，四片存储容量分别为32GB的eMMC存储器能够实现128GB的大容量数据存储。
进一步地，所述多通道总线收发电路为六通道CAN总线收发电路，各个通道的总线收发电路均包括磁隔离电路、CAN收发器电路以及保护电路，从而实现有效地读取CAN总线数据。
基于上述改进的技术方案，本发明可同时记录六通道CAN总线数据，并在六通道CAN总线满负载运行下的数据量达到每秒15000帧时不丢数，实现将六路CAN总线数据高速、高可靠、完整地记录下来，便于后续的数据分析、加强对航天发射装备的了解，可将记录的数据作为故障诊断、故障预测及健康管理的基础信息，因此本发明具有可靠性高、存储速度快等突出优点。
进一步地，所述DSP控制器具有EMIF接口，所述DSP控制器通过EMIF接口与所述FPGA控制器进行数据交互，将所述FPGA控制器接收到的CAN总线数据读入到所述DSP控制器中，经由DSP控制器处理后的CAN总线数据通过FPGA控制器写入数据存储电路中。
进一步地，所述DSP控制器外接有用于缓存CAN总线数据的随机存取存储器。
进一步地，所述CAN总线数据在DSP控制器中处理后，打包成数据块，以队列的形式写入eMMC存储器，所述队列的最大长度为1K。
基于上述队列存储方式和DSP控制器外接的随机存取存储器，保证在总线数据高速到来时仍被完整记录而不丢失，进而将数据写入数据存储电路中，该方式进一步提高了可靠性，从而实现本发明能够在高速、大量数据的情况下保证数据的可靠写入。
进一步地，所述数据存储电路以文件形式存储CAN总线数据，所述文件包括文件描述块和数据块；所述文件描述块包括文件形成的日期和时间信息、文件大小信息、起始地址信息、下一个文件的起始地址信息，各个文件内的文件描述块的起始地址信息形成链表；所述数据块中记录CAN总线数据。
基于上述改进的技术方案：将文件通过链表关联起来，本发明优化了对存储文件的管理，方便了对数据的查询和筛选导出，从而极大提高了数据导出的速度。
进一步地，所述对外插接件接入24V输入电源信号；所述电源转换电路包括相互连接的滤波器和电压变换电路，分别用于对24V输入电源信号滤波和电压变换，用于为其他电路供电；所述电压变换电路为DC-DC变换器或线性稳压器。
进一步地，所述USB数据导出电路通过通用输入/输出接口与所述FPGA控制器连接，所述多通道总线收发电路通过通用输入/输出接口与所述FPGA控制器连接。
本发明的有益效果为：本发明能够在存储设备断电瞬间完整记录CAN总线数据并实现可靠断电，保证CAN总线数据记录的完整性，同时保护了存储芯片，因此，本发明具有数据记录的可靠性高等突出优点。
另外，本发明还具有存储容量大、记录时间长、满负载运行时不丢数等突出优点。
附图说明
图1为多通道CAN总线数据记录存储设备结构示意图。
图2为DSP控制器记录的文件的存储结构示意图。
图中，
10、FPGA控制器；11、多通道总线收发电路；12、对外插接件；13、USB数据导出电路；14、数据存储电路；15、DSP控制器；16、电源电路。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的多通道CAN总线数据记录存储设备进行详细的解释和说明。
如图1和2所示，本发明公开了一种多通道CAN总线数据记录存储设备。该多通道CAN总线数据记录存储设备包括FPGA控制器10、DSP控制器15、多通道总线收发电路11、对外插接件12、数据存储电路14及电源电路16；FPGA控制器10与DSP控制器15连接，FPGA控制器10还分别与多通道总线收发电路11、数据存储电路14等电路连接，本发明创新采用DSP+FPGA结合的核心控制器架构，通过核心控制器外围扩展相应功能的元器件，即FPGA控制器10的外围电路和DSP控制器15的外围电路，以实现各项功能需求；比如，上述的FPGA控制器10具有其工作必须的晶振电路、复位电路、配置电路、JTAG电路等，其中，FPGA控制器10可采用Xilinx Vertex IV系列FPGA，从而实现其CAN总线和USB接口接收功能和发送功能以及eMMC存储器读取功能和写入功能；更为具体地，在FPGA控制器15内部通过例化CAN IP核的方式实现了六路CAN总线控制器功能，通过FPGA控制器15的相应的对外引脚与多通道总线收发电路11相连接，实现了六路CAN总线数据的接收、发送功能。另外，FPGA控制器内部还实现了eMMC存储器和USB控制器的时序控制，能够实现基本的eMMC读取、写入操作以及USB接收、发送操作。DSP控制器15具有其工作必须的晶振电路、复位电路、SRAM等，是设备的控制和调度核心，本实施例中，上述的DSP控制器15可以基于TMS320F28335DSP搭建。
本实施例中，数据存储电路14包括多个相互并联的eMMC(Embedded Multi MediaCard，嵌入式多媒体卡)存储器，eMMC存储器作为本发明的存储介质，每片eMMC存储器各具有32GB的存储容量，在DSP+FPGA架构满足数据采集速度、处理速度及记录速度基础上，四片eMMC存储器具备128GB大存储容量，完全可以满足同时记录六通道CAN总线数据的空间需要；更为具体地，eMMC存储器内部集成了Nand Flash存储芯片和一个片内控制器，上述片内控制器通过实现MMC通信协议与用户接口，片内控制器集成了逻辑-物理地址映射、坏块处理、碎片整理等功能，能够大大简化用户程序，提高记录的可靠性。
而多通道总线收发电路11为六通道CAN总线收发电路，各个通道的总线收发电路均包括磁隔离电路、CAN收发器电路及保护电路等，保护电路可为TVS保护电路；多通道总线收发电路11用于将FPGA控制器10的CAN接收信号和发送信号转换为符合CAN协议要求的CAN差分信号，多通道总线收发电路11可以理解为FPGA控制器10与物理总线之间的接口；对外插接件12分别与多通道总线收发电路11、电源电路16连接，本实施例中，对外插接件12接入24V输入电源信号；电源转换电路包括相互连接的滤波器和电压变换电路，分别用于对24V输入电源信号滤波和电压变换，将24V输入电源经过滤波后进行转换、输入其他电路需要的二次电源，更为具体来说，本实施例滤波器的型号为BNX026H01，电压变换电路为DC-DC变换器或线性稳压器；对外插接件12为信号传输电气接口，实现设备内外信号连接，这些信号主要包括24V输入电源信号、六通道CAN总线信号、一通道USB信号等；上述电源电路16包括分别与对外插接件12连接的电源转换电路和掉电检测电路，所述电源转换电路还连接有电容储能电路，电源转换电路为多通道总线收发电路11和数据存储电路14等电路供电，掉电检测电路用于监测电源信号掉电后向DSP控制器15发出中断信号，DSP控制器15控制相关器件将正在缓存的数据写入数据存储电路14，而DSP控制器15在接收中断信号后、依靠电容储能电路中的电能将缓存中的数据写入数据存储电路14，从而完成缓存中数据的存储，保证数据的完整性，同时避免正在存储时掉电导致的芯片损坏，其中，电容储能电路包括法拉电容及其放电回路，在电源断开后还能放电1秒左右；本实施例中，上述涉及的掉电检测电路可采用型号为MAX706芯片搭建，其用于监控24V输入电源，上述“掉电”情况包括断电、失电、或电的质量达不到要求而引起用电设备不能正常工作的情况，本实施例中，如果掉电检测电路检测到电源电压下降至14V(电源电压正常范围为20V～30V)，则立即以外部中断形式向DSP控制器15发出掉电中断信号(最高优先级)，DSP控制器15接收到该中断后利用储能电路储存的电能完成缓存中数据的存储，并可靠掉电，保证记录数据的完整性，也能避免正在存储时掉电导致的芯片损坏，提高设备工作的可靠性。
为将存储的CAN总线数据导出，该设备还包括USB数据导出电路13；USB数据导出电路13分别与FPGA控制器10、对外插接件12连接，USB数据导出电路13用于通过FPGA控制器10将数据存储电路14内的数据导出、经由对外插接件12上传至上位机，具体地，FPGA控制器10接受DSP控制器15的调度，不仅可以将DSP发送过来的数据写入到eMMC存储器中，还能通过USB接口与上位机通信，从eMMC存储器读取上位机要求的数据，并通过USB接口上传至上位机。本实施例中，USB数据导出电路13通过通用输入/输出接口与上述FPGA控制器10连接，多通道总线收发电路11通过通用输入/输出接口与FPGA控制器10连接；本实施例中，USB芯片的型号选择Cypress公司的CY7C68013A，该芯片内部集成了USB2.0控制器、USB2.0收发器、串行接口引擎、增强的8051微控制器及一个可编程的外设接口,外部仅需要外接电源、去耦电容、晶振、TVS等即可实现USB接口通信。
更为具体地，本发明中的DSP控制器15具有EMIF接口，DSP控制器15通过EMIF接口与FPGA控制器10双口RAM进行数据交互，将FPGA控制器10接收到的CAN总线数据读入到DSP控制器15中，经过DSP控制器15的数据处理，缓存累积到一定数量后，经由DSP控制器15处理后的CAN总线数据通过FPGA控制器10写入数据存储电路14中，最终完成数据的存储。而DSP控制器15外接有用于缓存CAN总线数据的随机存取存储器，其中，为了保证在eMMC写入速度较慢时进行数据缓存，保证总线数据高速到来时仍被完整记录而不丢失，CAN总线数据在DSP控制器15中处理后，打包成数据块，以队列的形式写入eMMC存储器，所述队列的最大长度为1K。本发明中，如图2所示，为了便于进行文件管理，方便数据查询和筛选导出，在DSP控制器15采用链表的形式设计了一种简易的文件系统，数据存储电路14以文件形式存储CAN总线数据，将每个小时的数据划分为一个文件，一个文件包含多个块(sector)，根据块中存储的内容，将块分为文件描述块和数据块；文件描述块包括文件形成的日期和时间信息、文件大小信息、起始地址信息、下一个文件的起始地址信息，各个文件内的文件描述块的起始地址信息形成链表，该链表为包含多个文件描述块的单链表，完成文件的索引；数据块中记录CAN总线数据。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，“多个”的含义一般理解为至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、“本实施例中”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多通道CAN总线数据记录存储设备，其特征在于：所述设备包括FPGA控制器(10)、DSP控制器(15)、多通道总线收发电路(11)、对外插接件(12)、数据存储电路(14)及电源电路(16)；所述FPGA控制器(10)与DSP控制器(15)连接，所述FPGA控制器(10)还分别与所述多通道总线收发电路(11)、数据存储电路(14)连接；所述对外插接件(12)分别与所述多通道总线收发电路(11)、电源电路(16)连接，所述对外插接件(12)为信号传输电气接口；所述电源电路(16)包括分别与对外插接件(12)连接的电源转换电路和掉电检测电路，所述电源转换电路还连接有电容储能电路，所述电源转换电路为所述多通道总线收发电路(11)和数据存储电路(14)供电，所述掉电检测电路用于监测电源信号掉电后向DSP控制器(15)发出中断信号，所述DSP控制器(15)在接收中断信号后、依靠所述电容储能电路中的电能将缓存中的数据写入数据存储电路(14)；
所述DSP控制器(15)具有EMIF接口，所述DSP控制器(15)通过EMIF接口与所述FPGA控制器(10)进行数据交互，将所述FPGA控制器(10)接收到的CAN总线数据读入到所述DSP控制器(15)中，经由DSP控制器(15)处理后的CAN总线数据通过FPGA控制器(10)写入数据存储电路(14)中；
其中，所述数据存储电路(14)包括多个相互并联的eMMC存储器；所述DSP控制器(15)外接有用于缓存CAN总线数据的随机存取存储器；
所述CAN总线数据在DSP控制器(15)中处理后，打包成数据块，以队列的形式写入eMMC存储器，所述队列的最大长度为1K；
所述数据存储电路(14)以文件形式存储CAN总线数据，所述文件包括文件描述块和数据块；所述文件描述块包括文件形成的日期和时间信息、文件大小信息、起始地址信息、下一个文件的起始地址信息，各个文件内的文件描述块的起始地址信息形成链表；所述数据块中记录CAN总线数据。
2.根据权利要求1所述的多通道CAN总线数据记录存储设备，其特征在于：所述设备还包括USB数据导出电路(13)；所述USB数据导出电路(13)分别与所述FPGA控制器(10)、所述对外插接件(12)连接，用于通过FPGA控制器(10)将数据存储电路(14)内的数据导出、经由对外插接件(12)上传至上位机。
3.根据权利要求1所述的多通道CAN总线数据记录存储设备，其特征在于：所述多通道总线收发电路(11)为六通道CAN总线收发电路，各个通道的总线收发电路均包括磁隔离电路、CAN收发器电路及保护电路。
4.根据权利要求1所述的多通道CAN总线数据记录存储设备，其特征在于：所述对外插接件(12)接入24V输入电源信号；所述电源转换电路包括相互连接的滤波器和电压变换电路，分别用于对24V输入电源信号滤波和电压变换；所述电压变换电路为DC-DC变换器或线性稳压器。
5.根据权利要求2所述的多通道CAN总线数据记录存储设备，其特征在于：所述USB数据导出电路(13)通过通用输入/输出接口与所述FPGA控制器(10)连接，所述多通道总线收发电路(11)通过通用输入/输出接口与所述FPGA控制器(10)连接。
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