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基于U盘高速串行数据记录器设计

作　者: 冉自博
导　师: 张斌珍；马游春
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: U盘 FPGA 单片机
分类号: V241.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


现代化航天事业的飞速发展要求应用于其中的数据存储设备具备存储高速数据和海量数据的能力,特别是在对GPS导航数据的存储方面。在调研当前存储测试技术发展动态及学习掌握USB传输协议、FAT文件系统的基础上,结合数据存储技术、USB总线技术及MFC程序上位机软件开发技术,本文提出了一种以AVR系列单片机ATmega128控制USB接口芯片CH376读写U盘数据,添加FPGA控制读写大容量Flash数据作为高速数据缓冲以实现脱离计算机存储高速串行数据至U盘功能的设计方案,其数据为两路波特率均为460800bps的422总线串行数据。采用现场数据存储、事后通过计算机读取U盘的方式获取数据,并使用自行开发的上位机软件对数据进行分析。U盘高速串行数据记录器主要由大容量数据缓冲和单片机读写U盘模块构成,相对于传统的U盘读写设计方案,其关键技术及创新点有：(1)首次以U盘作为高速串行数据记录器的存储介质,应用于飞行参数数据记录器系统中。数据遵循FAT文件系统格式,采用“日志式”文件管理办法以文件形式存储,可通过回事后收U盘并由计算机直接读取,具备标准的USB2.0接口,数据存储容量为8GB,并可通过更换大容量的U盘而升级,U盘数据写入速度可达到64Kbps,可记录两路波特率为460kbps的串行数据,单次数据记录时间可达40小时,能够处理的数据最大输入速度为156KBps,存储可靠性高。(2)具有Flash数据断点续存功能。设计了专门的掉电检测电路,以MAX709作为掉电检测电路的核心器件,在系统电源电压欠压或因故切断时,掉电检测电路及时反馈掉电信息,采用VHDL语言编写断点地址保护程序,实现Flash数据断点续存的功能,在一定程度上减小了因电源故障带来的损失。(3)具有抗强冲击、防静电功能的结构设计。针对U盘数据记录器工作环境的特殊性,保护结构选用金属材料以达到静电屏蔽作用,带有推拉式U盘槽保护结构的设计保证电路在工作过程中U盘连接稳定,从而使数据存储可靠。由MFC编程的上位机软件对测试数据处理、分析,验证了该设计方案的可行性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章 绪论  10-20
  1.1 课题研究背景  10-12
  1.2 课题研究来源  12-13
  1.3 存储技术的发展动态及应用  13-17
    1.3.1 数据记录器国内外发展动态  13-15
    1.3.2 USB接口数据存储技术的发展  15-16
    1.3.3 存储技术的近现代化应用  16-17
  1.4 本课题研究的目的及意义  17-18
  1.5 本文的主要任务及章节安排  18-19
  1.6 本章小结  19-20
第二章 高速串行数据U盘记录器总体设计方案  20-37
  2.1 U盘记录器功能要求及应用优势  20-22
  2.2 系统功能技术支持  22-25
    2.2.1 USB总线概述  22-25
    2.2.2 422串行总线  25
  2.3 系统器件选型  25-34
    2.3.1 AVR系列单片机ATmega128  25-30
    2.3.2 Xilinx公司FPGA  30-32
    2.3.3 U盘接口芯片CH376  32-34
  2.4 大容量Flash数据缓存设计的必要性分析  34-35
  2.5 数据分析与上位机设计  35-36
  2.6 本章小结  36-37
第三章 U盘高速数据记录器硬件系统设计  37-49
  3.1 电源模块设计  37-38
  3.2 Flash数据存储模块  38-40
    3.2.1 FPGA控制数据Flash存储  38-39
    3.2.2 Flash数据读取  39-40
  3.3 掉电监测及复位电路设计  40-41
  3.4 CH376接口电路设计  41-43
  3.5 串口通信监视部分  43-44
  3.6 JTAG下载接口电路  44-45
  3.7 PCB防干扰措施  45-46
  3.8 电路保护结构设计  46-47
  3.9 本章小结  47-49
第四章 系统软件设计及调试  49-74
  4.1 USB通讯协议基础  49-51
    4.1.1 USB数据包简介  49-51
    4.1.2 USB数据传输模式  51
  4.2 FPGA软件VHDL程序设计  51-60
    4.2.1 串行数据接收及数据编帧  53-56
    4.2.2 读写FIFO控制  56-57
    4.2.3 Flash读写控制模块  57-59
    4.2.4 断点保护  59-60
  4.3 单片机控制CH376读写U盘  60-65
    4.3.1 整体程序设计  60-62
    4.3.2 扇区方式写U盘  62-65
  4.4 “日志式”U盘文件管理  65-67
  4.5 调试结果及分析  67-70
  4.6 U盘读写速度测试  70-72
  4.7 本章小结  72-74
第五章 结论及展望  74-77
  5.1 研究结论  74-75
  5.2 主要创新点  75
  5.3 对未来发展的期望  75-77
参考文献  77-80
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的成果  80-81
致谢  81

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 航空仪表、航空设备 > 飞行仪表及自动器
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