摘 要： 針對水下模擬船艙相關參數的高速多次采集存儲任務，設計了一種基于eMMC的多通道數據采集系統。該系統以FPGA為主控芯片，控制8個通道模擬多路復用開關和8個AD轉換器來實現128路信號同時采集。與傳統采集系統相比，該系統以eMMC為存儲單元，解決了傳統的以Flash為存儲模塊的復雜的壞塊檢測與系統管理等問題。試驗證明，128路數據采集存儲系統的誤差可控制在0.1%范圍內，能夠確保已存的數據可靠、有效。

0 引言

當今海洋已經和太空一樣成為人類探索自然的重要領域，我國水下探測設備的水平已達到一個新的高度。隨著我國水下探測技術的進步，對數據采集及存儲測試儀器的可靠性、高速、大容量、多通道等技術參數提出了更高的要求[1-2]。本文的128路數據采集及存儲系統主要完成對水下模擬船艙相關參數的高速多次采集存儲任務，以eMMC為存儲單元，解決了傳統的以Flash為存儲模塊的復雜的壞塊檢測與系統管理等問題。該系統可進行多次觸發，采集并存儲采集數據；通過讀數盒與上位機通信并傳輸采集的試驗數據。

任何測量系統都需要有精度要求，否則測量將失去意義[3-4]。128路數據采集的總采樣率達到1.6 MS/s，采集編碼長度為12 bit，采樣精度0.1%，可重復觸發，單次記錄時間達到5 s。

1 系統的整體設計

基于eMMC的128路數據采集系統主要由數據采集模塊、FPGA控制模塊、eMMC存儲器模塊、讀數盒模塊、上位機5個模塊組成。每進行一次觸發操作，128路電壓范圍在±5 V的模擬信號就會通過運放跟隨電路的放大后進入8個16通道模擬多路復用開關ADG506，經多路模擬開關通道選擇，使接到每一個模擬開關上的16個模擬信號依次送到AD轉換驅動芯片AD823中，進行信號調理后由AD轉換器AD7495進行模數轉換操作。轉換后的數字信號在FPGA的控制下依次存儲在eMMC芯片MTFC2GMDEA-0M中。一次觸發操作會在eMMC中存儲16 MB的數據，可以連續觸發4次。最后可以通過讀數盒將數據回讀到上位機中，完成采集及存儲的任務。系統結構框圖如圖1所示。

2 系統的硬件構成

2.1 電源管理

在本系統中，需要對FPGA XC3S500E芯片進行3.3 V、2.5 V和1.2 V供電，因此需要利用電源轉換芯片將5 V的電壓轉換到所需要的電壓值。系統選用電壓轉換器SPX3819將電源電壓轉換成所需要的電壓值。

2.2 模擬電路

數據采集部分在FPGA的控制下實現模擬量到數字量的轉化[5-6]，主要由運放調理電路、模擬開關和AD轉換芯片構成。

2.2.1 放大電路設計

該128路數據采集系統運放調理電路采用的是高精度低噪聲模擬信號放大器OP4177，多路信號放大的芯片OP4177具有4條互不干涉的信號放大通道，可對4路模擬信號進行同時放大。

2.2.2 模擬開關

本系統采用了16通道的模擬多路復用器ADG506A進行模擬通道的選擇。通過FPGA控制ADG506A的4條地址線來決定在某一時刻送到AD轉換器之中的信號是哪一位，使16路模擬信號可以依次發送到AD轉換器中，大大提高了系統的集成度。

2.2.3 模數轉換電路設計

本系統采用的是精度為12 bit的模數轉換芯片AD7495，并采用芯片AD823作為A/D轉換器的驅動芯片。電路上電后，FPGA首先會對A/D轉換芯片進行參數設定，A/D轉換器的驅動電壓由FPGA提供，A/D轉換的時鐘由FPGA內部的定時器產生。AD7495芯片要求采集模擬量在-2.5 V~2.5 V之間，而考慮到實際用的模擬量一般在0 V~5 V之間，所以需要進行電壓轉換，使其滿足AD7495的輸入電壓要求，保證模數轉換的正確性。模數轉換的驅動電路如圖2所示。

2.3 存儲電路

數據存儲部分是整個系統中數據的載體，承擔著存儲由A/D轉換芯片產生的數字數據的重任。128路數據采集及存儲系統選用了鎂光公司的MTFC2GMDEA-0M芯片作為數據存儲。該器件將Nand Flash與控制器和MMC接口封裝到一起，控制器負責Flash的無效塊檢測、讀寫、ECC校驗等[7]，大大提高了數據的讀寫速度。該芯片對外提供標準MMC接口，接口總線有時鐘線CLK、命令線CMD、8位數據線以及復位信號線，使用起來非常方便，其電路連接圖如圖3所示。

3 數據存儲技術的實現