基于FPGA的气溶胶粒径信息存储系统的设计与实现

　时钟分频模块（Freq）：时钟输入clk为50 MHz的有源晶振提供，经分频转化合适时钟clock供给存储控制模块使用。
　粒子事件识别模块：在GATE为有效电平期间，对DIFF信号计数，识别出事件1、事件2和事件3。
　飞行时间地址转换模块：ECL-TTL高速计数器的最高位T[12]位为1时，飞行时间为4 096 ns，被认为是超大粒子，超出仪器的测量范围，该信号是以ORR作为飞行时间地址转换模块的一个输入信号，用于识别事件4。该模块在识别出事件1、事件2、事件3和事件4之后转换成相应的地址，其中事件2为有效粒子情况，识别为该事件时，将不同飞行时间T[11..0]输入转换成不同的存储器地址信号输出，识别为事件1、事件3和事件4时为少数粒子的干扰情况，分别产生一固定的存储器地址信号输出。
双端口RAM的存储控制模块：该模块的主要功能是完成对内存RAM的控制[6-10]。由于两粒子之间的时间间隔很短（GATE为低电平期间），在纳秒量级，在如此短的时间内完成内存的读写控制以及复位等，是存储器设计的一个难点。CYPRESS公司研制的64 K×16位高速低功耗CMOS型静态双口RAM芯片CY7C028可以满足存储设计的要求，一方面其存储器的最大访问时间12/15/20 ns，另一方面由于其容量高达64 KB，可以满足存储具有32 768种电子学特征信号的粒子信息，同时数据总线宽度为16位，故每一内存单元可以记录的同一特征粒子数高达65 535个。而且配有双端口，可以不必修改已设计完成的单片机端而扩展存储器访问控制功能，缩短开发周期[11]。出于仪器开发成本的考虑，下一目标是在FPGA内部实现双口RAM的功能,节省硬件双口RAM成本消耗。目前，为缩短开发周期，使用外部双口RAM，在FPGA内部采用状态机进行内存的访问控制。双口RAM访问控制时，首先要注意最重要的问题是RAM两端的控制器同时访问同一内存单元而产生的竞争问题，其次就是要注意由于FPGA端与RAM连接的数据总线是双向的，在空闲和读取之前要注意赋值为高阻态。整个系统设计的流程如图6所示。

Quartus II仿真波形结果如图7所示。

在GATE信号为高电平期间对DIFF信号进行计数，如果DIFF脉冲数为2，粒子识别为事件2,便在DATE信号的下降沿锁存飞行时间T,由T-Address模块将其转换成地址信号的输出ADDR(如图7中的192和512)，然后由存储控制模块完成读写控制后，发出复位信号对时间T进行清零,从而完成一次操作。如果GATE为高电平时，DIFF脉冲的个数为1或者3时，分别产生一固定地址输出。如图7中所示，DIFF为3时,地址固定输出为1 023，尽管T值为384，DIFF为1时同理。可见，仿真波形结果与实际设计要求结果一致。

3 实验结果分析
目前，该存储系统已运行于本研究所自行研发的空气动力学粒谱仪中。图8给出了实测的颗粒物飞行时间谱分布结果，测量时间为2010年6月18日，地点为安徽省合肥市科学岛中科院安徽光机所大楼室内，图中横坐标代表气溶胶粒子的飞行时间，单位为纳秒（ns），纵坐标代表各个不同飞行时间对应的气溶胶粒子数，单位为个（pt）。其中，采样气流1 L/min（总气流51 L/min，壳气流41 L/min），采样时间为30 s，将各个飞行时间粒子的粒子数相加求和得粒子总数为233 047个。图中，实测气溶胶粒子飞行时间谱的分布符合大气气溶胶常规分布这一特征，即气溶胶粒子粒径分布不完全是正态分布，而只是接近正态分布的特征[4]。

针对空气动力学粒谱仪系统研制的需要，采用电子学多道存储技术设计了一种基于核心控制器FPGA和双口RAM的高速大容量存储系统,实现了对气溶胶粒子的识别和空气动力学粒径信息的分类计数、存储，存储容量高达32 768道,每道计数深度达65 535个(16 bit)，完全满足气溶胶粒子的特征和个数要求。FPGA时钟频率高达50 MHz,完全能够实现对大量粒子的快速识别和飞行时间在纳秒级的地址转换存储，另外FPGA采用内部硬件电路完成逻辑控制，所以工作稳定可靠，且功耗低。经过实际运行验证，该存储系统完全满足仪器连续、实时、在线监测的要求，工作稳定可靠，实现了对气溶胶粒径测量，广泛应用于环境空气质量监测、洁净室检测、气溶胶特性研究及对大气传输特性的研究等领域。