基于FPGA和SDRAM的雷电地闪探测单元存储系统设计

该 存 储 系 统 的 设 计 能 够 满 足 雷 电地 闪探 测 单 元 系 统 的 需 要 。
［ 关键 词 ］ Ｆ Ｐ ＧＡ；Ｓ Ｄ ＲＡＭ ；地 闪探 测 ；存 储 系统
［ 中图分类号］Ｔ Ｐ ３ ３ ４ ． ７ ［ 文 献 标 志 码］ Ａ ［ 文章编号］１ ６ ７ ３—１ ４ ０ ９（ ２ ０ １ ３ ）１ ９— ０ ０ ７ １ —０ ４
基于 Ｆ Ｐ ＧＡ 和 Ｓ ＤＲ ＡＭ 的 雷 电 地 闪 探 测 单 元 存 储 系 统 设 计
陈 晓 静 （ 长江大学电子信息学院， 湖北 荆州 ４ ３ ４ ０ ２ ３ ）
李 开 成 ，李 沁 （ 华中科技大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ４ ）
［ 摘 要 ］ 针 对 雷 电地 闪信 号 存 储 的特 点 ，提 出 了基 于 Ｆ Ｐ ＧＡ 和 Ｓ Ｄ Ｒ ＡＭ 的 地 闪探 测 单 元 存 储 系 统 的 总 体 设
１ 系统 设 计
１ ． １ Ｓ ＤＲ Ａ Ｍ 存 储 容 量 计 算 及 选 型
根 据雷 电信 号存 储 的要求 ，需要 存 储至 少 １ ０次雷 电闪击 的数据 ，每 次 闪击 包 括雷 电特 征量 和 三通 道 的波形 数 据 。雷 电特征量 包 括波达 时 间 、方 位 角 、磁场 ／ 电场 峰值 等 ，每 次 闪 击特 征 量 占用 空 间不 到 １ ０ ０字 ，所 以 １ Ｋ 字 的存储 空 间足 以存放 １ Ｏ次 闪击 的雷 电特征量 。三通道 包 括两路 从正 交环 天线输 入 的 磁 场信号 ，一路从 平板 电场 天线 输入 的 大气 电场 信号 。波 形 数据 所 占容量 大 小 与通 道 数 、通 道采 样 率 、 采样 位宽 、采 样 时间有 关 ，地 闪信号 频率 覆盖 范 围在 ３ ０ ０ ｋ Ｈｚ以下 ，并考 虑 留有裕 量 ，探 测 单元 的采 样 频率 定为 ２ ＭＨｚ ，采 样时 间应 保证 能完 整 保存 全 部 闪击 的 波形 ，１ ｓ的采 样 时 间 足 以满 足要 求 。按 照 采 样频率 ２ ＭＨｚ ，采样 位宽 １ ４ ｂ ｉ ｔ ｓ（ 约 ２字节 ） ，３ 通 道 ，１ ｓ 采 样 时 间 ，１ ０次 闪击 计算 ，需 要 存 储容 量 大
长江大学学报 （ 自科 版 ） ２ ０ １ ３ 年７ 月号理 工上旬刊 第 １ ０ 卷第１ ９ 期
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｙ ａ ｎ ｇ ｔ ｚ ｅ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ（ Ｎ ａ ｔ Ｓ ｃ ｉ Ｅ ｄ ｉ ｔ ） Ｊ ｕ １ ． ２ ０ １ ３ ，Ｖｏ １ ． １ ０ Ｎｏ ． １ ９
雷 电灾 害是指 雷雨 云 中 电能 释放 、击 中物 体或 所形 成 的强烈 电磁 辐射 而造 成损 失 的灾害现 象 。随着 高科 技 的发展 ，雷 电灾 害越来 越 严重 ，雷 电监 测与 气象 灾害 预警 技术 的研究 显 得尤 为迫切 。雷 电地 闪探 测单 元是 全能 型雷 电探 测设 备 的一个 子课 题 ，全能 型雷 电探 测设 备 的研制 和应 用将会 满 足有关 部 门雷 电 监 测 和气象 灾 害预警 应 用 的需 求 。雷 电地 闪探测 单元 口 的主要 任务 是拾 取天 线接 收 的地 闪磁 场信 号和 大 气 电场信 号 ，并提 取雷 电信 号 的特征 量包 括波 达 时 间 、磁 场 ／ 电场 峰值 、方 位 角 等信 息 ，同时 保存 地 闪 波形 数据 供探 测站 主机 读取 。雷 电地 闪信 号 采集 属 于 多 通道 高 速 数据 采 集 ，因此 采用 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 完 成 雷 电 地 闪 探测单 元 的设计 。探 测单 元 中 的存 储 系统必 不 可少 ，因为探测 站 主机需 要采 集处 理 的数据 不仅包 括 地 闪 信号 ，而 且还包 括 云 闪 、光 探测单 元 等其他 信 号 ，这些 信号具 有并 发特 性 ，因此 要求 各探 测单元 必 须 具备 存储 的环 节 ，以防止 主机不 能 及 时 处 理数 据 而 造 成 的 数据 丢 失 。考虑 到 雷 电地 闪信 号 采 集 速 率 高 、存 储容 量 大 、存 取 速度快 以及 成本 因 素 ，地 闪探 测单 元存 储 系统采 用 Ｓ Ｄ Ｒ ＡＭ 来 设计 。
计 ，介 绍 了 Ｓ Ｄ ＲＡ Ｍ 控制器设计 中的关键 问题及解 决方 案，给 出了 Ｓ Ｄ ＲＡＭ 接 口硬 件 电 路 ， 详 细 介 绍 了 Ｓ Ｄ Ｒ ＡＭ 控 制 器 的核 心 部 分 —— 时序 控 制 器 的状 态 转 换设 计 ， 最 后 给 出 Ｓ Ｉ ＧＮＡＬ ＴＡ Ｐ Ｉ Ｉ 的 运行 结 果 。实 际
［ 收稿日期］２ ０ １ ３ 一Ｏ ｌ 一１ ２ ［ 基金项目］国家自然科学基金项目 （ ５ １ ０ ７ ７ ０ ５ ８ ） 。
［ 作者简介］陈晓静 （ １ ９ ８ ０ 一 ） ，女 ，讲师 ，博士生 ，现 主要从 事电磁测 量与仪器方面的研究工作。
小为 ２ ×３ ×２ Ｍ ×１ ０字节 ＝ ＝ ＝ １ ２ ０ Ｍ 字节 。
该 设计 选 用 Ｓ ＤＲ ＡＭ 型号 为 ＭＴ４ ８ Ｌ Ｃ ３ ２ Ｍ１ ６ Ａ２ ｏ，该 芯 片 的主要 特 点 为 ：３ ． ３ Ｖ 电源供 电 ，工 作 频 率 １ ３ ３ ＭＨｚ ，所有 信号 传输 在 系统时 钟 的上升 沿进 行 ，内部 采用 流水线 技 术 ，列 地址 可 以在任 何 时钟 周 期 内改变 ，可被 配置 为猝 发长 度 为 ｌ 、２ 、４ 、８或整 页猝 发 读 写模 式 ，具 有 自刷 新 节 电功能 ，可 实 现 自 动 预充 电 ，行刷 新周 期 ６ ４ ｍｓ ，１ ３ ３ ＭＨｚ 工作 频 率下 Ｃ ＡＳ延 时为 ５ ． ４ ｎ ｓ ，芯片位宽 为 １ ６ ｂ ｉ ｔ ｓ ，存 储体共有