基于NandFlash的图像声纳数据采集存储系统设计

摘 要 图像声纳在海洋资源开发和水下探测领域起着不可替代的作用，近年来，随着技术的发展和硬件能力的调高，图像声纳的成像分辨率有了大幅提升，数据吞吐量也愈发增加。数据采集存储系统是图像声纳的重要组成部分，论文以图像声纳的研发为背景，设计并实现了图像声纳数据采集存储系统。 本文在给定的技术指标下，设计并实现了数据采集存储系统的硬件电路和软件系统，系统采用 为控制芯片，固态存储芯片 为存储介质，由 A/信总线和 线分别完成系统与数字信号板的通信和数据传输，并通过调用 内 行兵乓操作来完成数据缓冲。论文提出并实现了一种适用于该数据采集存储系统的 块管理方法，并引入了异地更新、磨损均衡、掉电保护、 验等功能，提高了数据存储的效率和可靠性。 论文给出了数据采集存储系统的测试结果，并进行了分析，根据测试结果，该数据采集存储系统满足了预期设计要求。最后，论文对设计进行了总结，并提出了进一步改进方案。 关键词 ：图像声纳；数据采集存储； 块管理 is an in of of of is is is a of in of of on as as , 2is to AM to a is to to of in to At 录 第 1 章 绪论 1 文的背景和意义 1 像声纳技术发展现状 1 储技术发展现状 3 文内容安排 5 第 2 章 数据采集存储系统硬件设计 7 述 7 统结构组成 7 统需求分析 8 储器 8 储结构和 I/O 接口 8 基本操作 11 16 16 脚功能 16 数据读取操作 17 编程逻辑器件 19 绍 19 片特点及电路设计 20 源电路设计 22 章小结 23 第 3 章 数据采集存储系统逻辑设计 25 3. 1 概述 25 言介绍 25 统功能模块划分和工作过程 25 26 乓缓冲模块 28 储单元控制模块 29 块管理 29 损均衡和垃圾回收 38 电保护和格式化 41 据存储和读取工作流程 43 验 45 据传输 47 2C 总线通信设计 49 2C 总线通信工作流程 49 2C 总线控制命令和 I 程序命令 49 章小结 50 第 4 章 数据采集存储系统测试 52 试环境介绍 52 52 储单元的测试 54 始坏块检测的测试 54 址映射测试 55 块替换测试 56 电保护测试 57 验测试 58 据准确性测试 59 据上传测试 60 章小结 61 结 论 62 参考文献 63 致 谢 66 附 录 67 1 第 1 章 绪论 文的背景和意义 地球四分之三的面积被海洋覆盖， 海洋蕴含着极其丰富的矿产、 能源以及生物资源，预计在未来的 20 年内，全球 50%以上的油气产量和储量都将来自海洋。海洋是 21 世纪人类的新生存空间， 是新一轮产业革命的战略重点， 世界各国都在积极发展海洋高科技，随着电子技术，特别是微电子技术的发展和应用，水下探测技术的发展更为迅速，声纳改变了原来的面貌，进入了一个新的阶段1。 由于声波是唯一能在海水当中远距离传播的信号，所以利用声波进行水下探测的声纳技术在海洋开发领域中有着不可替代的作用。声成像技术是声纳技术的一个重要的研究方向，图像声纳一般使用主动方式工作，通过对接收到的声回波信号进行信号处理，得到图像形式的探测结果，传统的光学成像在海水中的成像范围非常有限，声成像技术克服了复杂的水文环境，能够对十几米到几百米的水下区域进行成像，但是图像声纳的成像质量要低于光学摄像，提高声成像质量需要提高图像声纳的分辨率，这对系统的采集存储、数据传输、信号处理能力都提出了更高的要求2。 数据采集存储系统是图像声纳的关键设备之一，由于图像声纳的数据吞吐量非常大，系统要在极短的时间内采集和存储大量的数据，所以数据采集存储系统需要具有很高的数据读写速率和数据准确性。 图像声纳对数据采集存储系统的要求有如下几点： 一、高速，提高图像声纳精度需要更高的采样频率，存储器的读写速度必须满足采样数据的传输速度；二、大容量，图像声纳的多通道、高速率的采样特性会产生海量的数据流；三、可靠性，采样和存储的数据必须有很高的准确性；四、稳定性，由于海洋环境的复杂性，采集存储系统必须具有抗震能力并能在苛刻环境下工作。 我国有着绵长的海岸线和辽阔的海域，在这些蓝色领土中蕴含着丰富的矿产、能源以及生物资源，具有巨大的开发潜力。海洋也同时给国家安全带来了不稳定因素，我国与周边多个国家都存在着海洋领土争端，为了维护国家领土主权，需要充分了解我国领海的海底地貌特征和水文环境。因此，国家对声纳技术有着迫切的需求，图像声纳技术的进一步研究和发展非常必要。 像声纳技术发展现状 目前世界各国都对图像声纳的研究给予了高度重视，图像声纳技术有了很大的发展，目前使用较为普遍且技术成熟的图像声纳主要分为扇扫声纳和侧扫声纳两种：侧扫声纳的换能器一般安装在船体或拖曳体的两侧，可用于海洋资源开发、海底目标测绘、海洋探测等；扇扫声纳，也称为前视声纳，研究开展较晚，但发展很快，一般安装在舰 2 船前方，目前已广泛应用于水下定位、探雷、规避障碍物等水下作业中。扇扫声纳可分为三种： 1、单波束机械扫描声纳； 2、多波束预成电子扫描声纳； 3、三维图像声纳3。单波束机械扫描声纳结构简单、成本较低，但成像速率慢，不适合用于探测运动物体。多波束预成电子扫描声纳有较高的成像速度，主要代表是美国的 列声纳。三维图像声纳能获得三维空间的目标信息，技术难度较大，目前仅有少数国家开展了三维图像声纳的研究。 国内的水下成像技术研究开展较晚，目前有哈尔滨工程大学、中科院声学所等多家单位进行了相关声成像技术的研究，并取得了一定的成果。哈尔滨工程大学水声学院研发的某型数字图像声纳工作频率为 300元间距 10有 81 个数据通道，数据宽度为 12高数据传输率达到 400。 司研发的 一种机械扫描图像声纳，具有 325 675个工作频率，当选用 325作频率时，为一部探测声纳，探测距离 300 米。当选用 675作频率时，为一部图像声纳，成像距离 150 米，具有较高的成像精度，波束宽度为 2，最小扫描步长 示。 图 观和成像效果图 司研发的 纳是一个高分辨率、高频率的电子扫描声纳，可在大于 90的扇区内达到每秒 30 帧的成像速率，能够进行实时的连续扫描，具有海量存储器记录原始数据。目前广泛应用于科学考察和港口监控领域。 000 双频数字侧扫声纳， 可以在 100 500个频率间进行选择，水下作业标准深度达 1500米， 最大深度 6000米， 采用新型内部硬盘技术， 数据宽度 12通道数据传输速度为 s，使用 轴加强拖缆拖曳，最大拖曳速度可达 13节5。 英国 司研制的 I 是一种三维回波图像声纳，具有2034 路电子通道，能同时产生 16384 个波束，成像距离达 100 米，能够获得目标的三维 3 图像，图像刷新率达到了 20 帧 /秒，主要应用于港口码头、船体外壳、水下建筑物的成像，并可进行水下蛙人探测6。 I 声纳和成像效果图如图 示。 图 I 声纳和成像效果图 储技术发展现状 20 世纪 80 年代，人们通过将隧穿擦除技术和热载流子编程结合在一起实现一个单管 种技术被称为 储器7。该技术结合了 擦除能力和编程能力， “词是指这种器件可以在一次擦除中擦除全片（或者擦除一个大块或一个扇区） 。 储器的 元的制造工艺与 元相同，这使得 储器的成本可以与 争。 储器是一种非挥发性存储器件，这种器件特点是断电后存储信息不会丢失，与 传统非挥发性存储器相比， 储器有着明显的优势，具有成本低、密 度大、可擦除和重复编程等特点。 储器可广泛应用于各个领域，包括移动电话、 设、安防、医疗、军事、数码产品等。 经过二十多年的发展， 储器已经成为大容量、高速、高性价比的存储器。一般来说， 储技术可分为 种，其中主流是 种。 基于 储器， 应用目标是程序 /数据存储， 由 C 场所主导。对于大容量 储器应用，如存储卡和固态磁盘驱动器，基于 储器是理想的选择。 司于 1988 年研发， 是最早的 储器件， 由传统的 闪存具有独立的地址和数据总线，可快速的随机读取，系统可直接读取 存储的代码执行，不需要将代码读入 。 闪存具有一个并行的内部结构，读操作可对存储阵列的任一个字单元进行快速的随机读取，但擦除操作只能对块或者整片 行，不支持单字节擦除。 闪存由于其内部结构的特性，存储密度较低，单芯片容量很难提高，且擦除和编程需要花费较长的时间，不适用于大容量的数据和文件存储，主要用于程序代码的高速访问和内部执行，可用于替代内存设备。 4 东芝公司于 1989 年研发，主要应用于大容量高速数据存储领域，可用于生产各种存储器件如 D 卡 ) 、 F 卡 )、固态硬盘等。一个非常密集的存储阵列， I/O 端口采用复用的数据和地址线，和 比， 写入和擦除速度快很多，存储密度和容量也远大于 块的最大可擦写次数为一百万次， 擦写次数为十万次8。但由于 工艺特性， 出厂时有一定量随机分布的固有坏块，当块擦除次数达到一定量时也会产生坏块，坏块不允许进行写入和擦除操作，且块与块间擦除次数不均衡会直接影响 使用寿命。 另一个缺点是先擦后写，在数据更新时，必须将数据擦除后写入，而擦除速度远远大于 写入速度。由于以上特性， 使用中必须使用控制器屏蔽和管理坏块，并实现异地更新、均衡损耗和错误检验等机制。 较如表 示 表 闪存比较 or 口 复用 I/O 地址 /数据总线 芯片大小 小 大 芯片价格 低 高 读速度 快 快 单字节编程 慢 快 多字节编程 快 慢 擦除操作 快 慢 耗能 低 高 片内执行代码 不能 能 最大可擦写次数 百万次 十万次 是否允许有坏块 允许 不允许 单元密度 高 低 随着计算机技术和微电子技术的快速发展，往往需要存储和处理海量的数据，这对存储器的各方面性能也提出了更高的要求。传统的机械硬盘使用机电一体结构，磁盘盘片固定在密封空腔中，使用时通过悬浮在盘片上方的磁头改变高速转动的盘片上的磁颗粒极性进行数据存储，硬盘在运行中如果收到外力的震动，很有可能导致悬空的磁头敲击盘片造成不可逆的数据损失9。相比于传统硬盘存储技术，基于 固态存储技术有着体积小、抗震性好、功耗低、无需寻道时间、读写速度快、可靠性高等特点，固态硬盘 (术的出现就是为了迎合数据存储技术的发展趋势， 5 固态硬盘目前在航空航天、军事、安防、消费电子等领域都有着广泛的应用。 2007 年 8月， 其服务器上首次部署 2008 年 3 月，我国联想公司在 列的个人笔记本中使用 态硬盘作为标准配置。随着闪存技术的发展和 片成本的降低，以及智能手机、平板电脑和固态硬盘的飞速成长，据估计 2012 年 长率将达到 70%，成本较 2011 年也将下降 30%， 示。 图 求趋势图 储技术虽然有着先擦后写、存在坏块、擦除次数有限等缺点，但通过采用优化的坏块管理、磨损均衡、错误校验等机制，可以有效屏蔽这些缺点。随着新材料和新工艺的使用，未来的 储器将有着极高的可擦写次数、更快的写入和擦除速度、更先进的错误纠正和坏块管理机制，其应用领域和市场也将更加广泛。 文内容安排 论文以图像声纳的研制为背景，对图像声纳数据采集存储系统进行了研究开发，分析了系统需求，进行了硬件和软件设计，并完成了系统测试，论文的各章内容安排如下 : 第一章：绪论。说明了论文的背景和意义，介绍了图像声纳技术和 储技术的研究现状和发展方向。 第二章：数据采集存储系统硬件设计。分析了系统需求，介绍了数据采集存储系统的结构组成，对 储器、控制芯片、 A/D、电源电路等进行了选择，介绍了 A/D 采样芯片的基本操作，并对系统硬件电路进行了设计。 第三章：数据采集存储系统逻辑设计。首先对系统功能模块进行了划分，说明了系统各模块间的工作过程，然后介绍 了系统各个模块的逻辑设计，包括 A/D 模数转换、制模块、 据传输模块、 信模块等，其中 制 6 模块包含了 /写 /擦除、 块管理、掉电保护、磨损均衡、验等功能的逻辑设计。 第四章：数据采集存储系统测试。对系统各个功能模块进行了测试，检验了 A/D 单元在系统设计要求的采样频率下，采样数据的可靠性，测试了 储单元各个功能的实现以及 储数据的准确性。 与数字信号处理板和显控软件联调，进行了数据存储和数据上传测试，验证了系统整体的可靠性。 结论：对所做的工作进行总结，并提出进一步改进意见。 7 第 2 章 数据采集存储系统硬件设计 述 统结构组成 某型图像声纳的数据采集存储系统主要功能是对信号进行模数转换，将数据打包并通过 线将数据实时传输给数字信号处理板 ，并根据需要将数据打包后存储进储阵列，回放数据时将存储的数据上传至数字信号处理板。该系统分为20 个子系统，每个子系统分别采集和存储 8 路信号，共 160 路数据通道。数据采集存储板卡集成了 A/D 转换单元、 据传输总线、 信总线等单元，其结构框图如图 示。 图 据采集存储系统框图 该系统采用 为系统控制核心，完成 A/D 采集、数据缓冲、 写擦除、坏块管理、 验、 据上传等功能模块的控制。 接收并解析通过 信总线由实时数字信号处理单元下达的指令，确定系统的工作状态和工作参数。当系统处于实时成像模式时， 制 A/D 模数转换器将模拟接收信号转换成数字信号， 线完成数据的实时传输。如需要保存基元数据，则采样数据经过数据缓冲后，写入 保存，同时对 行管理等操作，实现对基元数据的实时存储。在后续数据上传操作时，通过 线上传 储的基元数据。数据采集存储单元、模拟信号调理 单元和实时信号处理单元的关系如图 8 图 据采集存储单元与其它单元的关系 统需求分析 数据采集存储系统在声纳、雷达、通信、图像处理等领域有着广泛应用，是图像声纳的关键设备之一，该系统主要负责模数转换，数据的实时传输，对原始基元数据进行实时存储以及存储数据的上传等功能。 相比一般的探测声纳，水下图像声纳系统有较高的距离和方位分辨率需求，且由于图像声纳数据采集存储系统的通道数较多，采集存储的数据量非常庞大，所以水下图像声纳对采集存储系统的各方面性能指标都有较高的要求。 在某型图像声纳的设计中，信号发射频率为 375宽为 25据带通采样原理，采样频率必须大于 50能避免信息的损失，而提高采样率可同时提高采样数据的准确性，但同时数据吞吐量也随之增大，经过综合考虑，选用 137为数据采集存储系统的采样频率，可以满足系统的要求。当使用 137样频率时，采集存储系统的基本性能指标如下： z 实时数据存储速度大于 16*11*137000/8=s z 实时数据传输速度大于 16*11*137000/8=s z 具有将 储数据上传的功能 z 数据存储数据的时间大于 100s z 具有与数字信号处理板通信的能力 z 每八路通道一块采集存储板，计 20 块板（ 160 路） 储器 储结构和 I/O 接口 系统采用 司的 片作为存储芯片，本节详细介绍该芯片的存储结构和 I/O 接口等特性。 一个容量为8448存储器，由 8192 个块组成，一个块包含 64 页。每一页由 2048 字节数据区和 64 字节扩展存储区 (成，备用的 64 字节扩展存储区的列地址从 2048 到2111。 写操作和读操作以页为单位执行，擦除操作以块为单位执行，对 9 同一块进行重复写入前需要进行块擦除操作，片内有一个 2112 字节的数据寄存器 (在页读取和页编程操作过程对输入输出数据进行缓存10。 列配置如图 示。 图 9列配置 部结构图如图 示，由以下几部分组成： (1) 命令寄存器、逻辑控制、高电压生成器用 于完成命令的判断，对存储器进行控制并产生编程和擦除操作所需要的高电压。 (2) 地址译码器：分为 X、 Y 两个模块，分别锁存、缓冲、解码 (3) 缓存寄存器：对编程时输入的数据进行存储。 (4) 数据寄存器、输出驱动、 I/O 缓冲用于对输入输出进行缓存，输出驱动提高带载能力。 (5) 存储体： 含 8192 个块，每块 64 页，每页 2048+64 字节。 图 9部结构图 10 该芯片的命令、数据、地址共用同一总线，采用 8 个复用的 I/O 端口以减少管脚的数目，及以备将来升级到更高的密度。 引脚配置如图 示。 图 9脚配置 z I/、命令及数据的输入输出，与 号等配合，以时分方式复用。当器件未被选中时， I/O 输出为高阻状态。 z (器件的选择信号。电平为低电平时，器件处于 选择状态；为高电平时，器件于非选择状态。 z (写使能。将 I/O 端口置于输入状态。命令、地址和数据在 升沿被锁存。 z (读使能。用于使 I/O 引脚进行数据输出的信号，也作为内部地址计数器进位的时钟来工作。 效（低电平） ，经过存取时间后， I/O 引脚上的数据得到确定，在 上升阶段，内部地址计数器只向前移动一位。这样，单一的读操作就可以读出连续地址的存储器内容。 z 指令锁存使能。在 号上升沿，如果 效（高电平） ，则 I/O 输入作为指令将被锁存。 z 地址锁存使能。在 号上升沿， 果有效（高电平） ，则 I/O 输入作为地址来处理。 z 写保护。强制禁止写入和擦除操作。 11 z （ 就绪 /忙。用于向外部通知器件内部操作状态的信号，如果内部正在进行操作，则该信号有效（低电平） ；如果内部操作完成，则该信号无效（为高电平） 。 ） 为一个漏极开路输出，它对低电平有强驱动，需要对它置上拉电阻。 z 字电源输入和数字地，数字供电电压 +于系统中其他器件的工作电压都为 接 基本操作 访问 要五个周期的地址，三个周期的行地址可以定位到块内的某一页，两个周期的列地址可以定位到页内的某一个字节。寻址方式如图 示： 图 9址方式 为了减小错误发生的概率， 令一般由两个命令字组成，分前后两次输入。 基本操作如下： a. 页编程 编程以页为基础，在同一页中连续进行 不插入擦除操作的部分页编程操作的次数不应该超过两次。具体指令操作流程是，通过输入编程命令 80h 开始编程操作，接着是五个地址输入周期，然后是串行数据装入期，在此期间可以把最多 2112字节的数据装入数据寄存器，写入 10h 启动编程把数据寄存器中的数据写入存储单元，系统控制器通过监控 输出信号，或状态寄存器的状态位 (I/可以检测编程周期的结束。当页编程结束后，通过写入命令 70h 可以读取状态寄存器，如果状态寄存器返回值的 (I/ 0 表示编程成功，为 1 则表示编程失败。发生编程失败的页被标记为坏块，系统需要建立坏块表以避免对坏块进行操作。 12 图 编程时序图 页编程时序图如图 示，其中 小值为 25小值为 75大值为 100操作编程时间 典型值为 200 最大值为700 片一页的容量为 2112 字节，编程时间按典型值计算，完成一页写入操作需要的时间大约为： 752118*2500200 253 则单片 大数据存储速率为： 2112 / 253 s。由于 A/D 采样的数据宽度为 14以单块采集存储系统板需要两片 别存储采样数据的低 8 位和高 8 位，通过将两片 控制和 I/O 管脚连接到一起， 保证对两片 行相同的操作。在使用两片 ，系统的最大存储速度可达到 s，大于系统要求的 s，满足了系统的要求。 同一块内的页编程操作需要遵循连续方式进行寻址，示，同一块内的编程操作必须从块内的 始编程，页地址连续依次递增至同一块内的 中起始的 一定为 0，违反该顺序的编程操作是不允许的。 13 图 编程寻址顺序示意图 b. 页读 写入命令指令 30h 到命令寄存器启动读操作，随后输入 5 个地址周期，第二个命令指令 30h 将数据从存储单元中装入片内数据寄存器内， 系统控制器检测 信号判断数据是否已经从存储单元转移到 数据寄存器中，当 为高时表示数据已打入数据寄存器，可以通过连续的 电平脉冲将数据读出。页读操作的时序如图 示： 图 读操作时序图 c. 块擦除 擦除操作以块为单位， 因为 编程操作只能将存储单元中的“ 1”翻转为“ 0” ，所以在每次编程之后必须进行 擦除操作将块内所有的存储单元置“ 1”才能进行下一次编程操作。 命令 60h 用于启动擦除操作，然后载入 3 个周期的地址指令，块地址装入后输入第二个命令 动擦除过程。当擦除操作结束后，通过写入命令 70h 可以读取状态寄存器，如果状态寄