瞬态信号的采集存储技术

徐进 王强 王伟伟

（北京航天长征飞行器研究所 北京市 100076）

1 概述

在爆炸环境下进行数据采集测量，由于采集的信号具有单次性、随机性强等特点[1]，传统方式往往采用远距离布置采集测量设备[2]，实现瞬态信号的采集存储，但该方式存在系统组成复杂昂贵和受外界干扰影响大等问题，采集不到真实的瞬态信号。为此本文提出一种近距离的瞬态信号采集存储方案，能够在10us的生存周期内实现信号的采集存储，产品实现简单，通过试验验证能够满足测量要求。

2 采集存储设备设计

2.1 方案设计

设备需要完成对瞬态数字信号进行采集存储功能，能够在10us内完成信息采集存储。如图1所示，信号模拟源能够输出表征瞬态信号的并行数字量信号，采集存储设备通过接口保护电路对输入信号进行保护，并直接送入CPLD的I/0口进行采集，CPLD将采集的信号实时写入MRAM和FRAM中进行存储，由外部供电5V，数据读取测试设备通过RS485完成存储器数据的下载和测试工作。

2.2 硬件电路设计

2.2.1 CPLD电路设计

CPLD完成存储器的核心控制功能，CPLD电路如图2所示。

由于电路板尺寸限制，选择ALTERA公司的EPM570M100I5芯片，该芯片尺寸为6mm×6mm，占用PCB面积小，该芯片供电用单一的3.3V电源供电，能节省电源转换芯片，内部有5.5MHZ的时钟，可以减少外部时钟的使用，由于内部时序逻辑需求较少，该芯片的逻辑资源能够满足使用要求，IO口也能满足使用要求。

2.2.2 电源转换电路设计

电源转换电路如图3所示。

电源转换芯片选择LT1963芯片，能够提供3.3V、1.5A的电源，满足电路板上芯片的用电需求。可以通过调整5V输入端并联的电容个数和容值，通过后续试验保证产品掉电后工作1~10ms,串入的二极管KD291G4保证电容存储的电荷不倒灌回去。

2.2.3 存储电路设计

存储芯片选择是本产品的关键，为确保可靠选择两种类型存储芯片进行考核验证，为铁电存储芯片FRAM和磁性存储器芯片MRAM。FRAM选用RAMTRON公司的FM22L16，采用并行读写的操作方式，最快写入周期为110ns，存储容量为512KB，工作温度为-40℃～+85℃，具备读写1014次的能力，数据保存时限为10年。MRAM选用EVERSPIN公司的MR4A08B，采用并行读写的操作方式，最写入周期为35ns，存储容量为2MB，工作温度为-40℃～+125℃，无读写次数限制，存储时限为20年。

2.3 软件设计

软件由CPLD实现，正常工作的流程为上电后判读写保护信号是否有效，若有效则禁止对存储芯片进行写操作，等待地面指令进行存储芯片的读操作；若写保护信号无效，则开始对存储芯片进行写操作。

地面指令有下载数据指令，在循环记录时接收到该指令后，停止循环记录，开始对存储芯片进行读操作，并通过485接口发送数据给地面。

图1：设备方案示意图

3 参数计算

3.1 存储时序计算

模拟信号源的信号进入存储器后的时序由以下几部分组成。

（1）数据缓冲时间：t1=0.1us；

（2）逻辑延迟时间：t2=0.05us；

（3）存储芯片存储一个字节的时间：t3=0.2us。

因此存储第一个字节的延迟为0.35us，存储N个字节的数据需要的时间为(0.35+0.2*N)us，因此10us至少可以存储48个字节数据，根据数据根式，其中最少的有效字节数据为24个字节数据。

通过上述分析可以得知，在10us内至少能够存储24个字节的有效数据，在时序上能够满足要求。

3.2 存储时间计算

根据存储芯片的存储速度和存储容量，MRAM芯片的存储时间不大于400ms，FRAM的存储时间不大于100ms。

通过上述分析可知，存储时间特别短，因此设备需要在断电后的至少工作1ms以上，保证存储10us的瞬态信号数据，在断电后10ms后停止工作，保证记录的数据不被刷新。

4 试验验证

试验采用的方法是如图4所示， 虚线右边是采集存储设备的内部电路，左边为测试所接的外部电路。S1是纽子开关，用于供断电。R1为下拉电阻，用于给D7~D0提供初始电平。V1是二极管，防止后面的储能电容的电能倒流；C1~C10为电容，用于储存电能，断电后继续给测量存储电路供电。D7~D0为需要测量存储的并行信号，本试验就是利用该并行信号作为测试断电存储时间的手段。

设备上电后进入循环记录存储的模式，不断将D7~D0的信号进行记录，即S1闭合后，D7~D0为全高，所以记录存储的数据为0XFF。S1打开后，储能电容C1~C10开始放电，供测量存储电路工作，由于V1的反向截止功能，D7~D0为全低，但这时候测量存储电路仍然工作，所以能够记录数据，所记录的存储的数据为0X00。因此，可以通过记录的全0X00的数据长度来推断存储器断电后的工作时间。

图2：CPLD电路图

通过试验验证，读取的存储数据含有全0X00的数据，断电后存储的有效测量数据为5650个，每个字节的存储时间约为182ns，计算出断电后存储工作的时间为2.054ms，满足方案设计中要求的大于1ms小于10ms的要求，既能保证存储到10us信号的数据，又能够保证不把存储的数据刷新掉。

图3：电源转换电路图

图4：测试电路图

5 结论

本文提出了基于FRAM和MRAM的瞬态信号采集存储方案，通过试验验证断电后存储工作时间能够满足10us的生存周求要求。该方案具备成本低、体积小等特点，能够替代传统测量方式。