[发明专利]一种基于ZYNQ系列FPGA的超高速数据采集装置及方法

说明书

本发明涉及一种基于ZYNQ系列FPGA的超高速数据采集装置及方法，涉及数据采集技术领域。本发明的装置基于RAID阵列控制实现NVMe固态盘阵列的自动化读写访问控制；基于多通道DDR3/DDR4控制器虚拟FIFO技术，极大提升了内存的访问带宽；通过全交换矩阵实现了采集和回放流程中的数据通路选择。该装置具有10GB/s以上的超高性能，可广泛应用于高清视频、雷达数据和AD采集等高性能应用场景。

技术领域

本发明涉及数据采集技术领域，具体涉及一种基于ZYNQ系列FPGA的超高速数据采集装置及方法。

背景技术

随着高清视频分辨率的提高、雷达原始数据等应用场景下数据带宽的提升，对数据采集系统的存储带宽提出了越来越高的要求，通常要求带宽达到1GB/s,甚至4GB/s以上，采用传统X86处理器平台开展采集装置的设计在功耗、体积上会有明显的劣势，同时在设计带宽上会遇到明显的瓶颈。FPGA以其灵活可编程的特点，已广泛应用于工业控制、航空航天，甚至互联网等领域。同时，随着Xilinx推出了ZYNQ、MPSoC等系列集成ARM硬核的FPGA产品，FPGA能够实现更高数据吞吐率的处理和存储性能，甚至能达到10GB/s以上。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种具有模块化、超高带宽、低功耗、灵活可扩展特点的超高速数据采集装置，以及设计相应的数据处理方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于ZYNQ系列FPGA的超高速数据采集装置，该装置包括ZYNQ系列FPGA和多个NVMe固态盘，FPGA的PS侧包括ARM硬核和DDR3/DDR4颗粒，FPGA的PL侧包括寄存器、DMA控制器、接口通信模块、全交换矩阵、DDR3/DDR4数据缓冲区和RAID阵列控制器；

所述DDR3/DDR4数据缓冲区内部的控制逻辑将外部多通道DDR3/DDR4颗粒封装后，对外虚拟成一个FIFO数据缓冲区；

所述RAID阵列控制器用于实现多个NVMe固态盘的并行读写控制，即通过多块NVMe固态盘组建RAID0，在写入时同时将数据并行写入多个NVMe固态盘，读取时同时从多个NVMe固态盘中并行将数据读出；

所述ARM硬核用于在采集和导入时通过寄存器选择数据流为写入方向，回放和导出时选择数据流为读取方向；ARM硬核的网络伺服程序收到上位机采集指令时，统计NVMe固态盘阵列中的可用空间列表，并通过寄存器写入RAID阵列控制器，同时通过寄存器启动采集流程；ARM硬核的网络伺服程序收到上位机回放指令时，查询NVMe固态盘阵列中该文件的已用空间列表，并通过寄存器写入RAID阵列控制器，同时通过寄存器启动回放流程；ARM硬核的网络伺服程序收到上位机导入指令时，统计NVMe固态盘阵列中的可用空间列表，并通过寄存器写入RAID阵列控制器，同时通过寄存器启动导入流程；ARM硬核的网络伺服程序收到上位机导出指令时，查询NVMe固态盘阵列中该文件的已用空间列表，并通过寄存器写入RAID阵列控制器，同时通过寄存器启动文件导出流程；

所述全交换矩阵用于在数据采集、回放过程中进行所接收数据的通路选择；

DDR3/DDR4颗粒属于PS侧，作为ARM硬核的软件运行空间和导入导出时的临时DMA数据缓冲区。

优选地，所述FPGA具有AD/LVDS/SRIO接口。

优选地，所述FPGA具有千兆网/USB接口。

优选地，所述接口通信模块用于对来自AD/LVDS/SRIO接口的源数据进行组包后，发给全交换矩阵。