基于ARM和CPLD的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過采樣電路將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散信號，并送入CPU、MCU或DSP進行處理。現(xiàn)在流行的基于PCI總線設(shè)計的采集卡是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主流，其優(yōu)點是可以利用PCI總線的研究成果快速的開發(fā)系統(tǒng)軟件，整體運行速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)實時采集實時處理。但在一些工業(yè)測控現(xiàn)場檢測大型設(shè)備時，從現(xiàn)場到機房有一定的距離，模擬信號傳到安裝在PC內(nèi)的PCI數(shù)據(jù)采集卡會有不同程度的衰減，且易受工業(yè)環(huán)境的干擾。而單純用由微控制器（MCU）為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，把數(shù)據(jù)采集器置于被監(jiān)測的設(shè)備處，雖然可以避免模擬信號的衰減和被干擾，但在這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器的啟動、讀取數(shù)據(jù)并存入到存儲器的整個過程由MCU來參與控制，由于受MCU執(zhí)行指令時間的限制，采集的速率較低，難以適應(yīng)高速信號采集的需要。本文利用ARM微處理器和CPLD器件組成的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后通過以太網(wǎng)接口于上位機相連，就可以有效解決上述問題。

系統(tǒng)的設(shè)計方案
整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)首先對采集的信號進行前端處理，如信號放大、濾波等預(yù)處理。采用的CPLD器件實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制邏輯，它控制著采集通道的切換、A/D轉(zhuǎn)換的起/停、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放在存儲單元的地址發(fā)生器、產(chǎn)生中斷請求以通知ARM讀取存放在存儲器中的數(shù)據(jù)，由ARM微處理器進行快速的處理和傳輸。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

1 信號調(diào)理模塊
在信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換前，在保證被采集信號不失真的前提下，對輸入的信號進行放大、濾波等預(yù)處理。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入信號通常為高頻信號，需要進行阻抗匹配和前置放大，可以選用高速低噪聲信號前置放大器和信號變壓器。信號前置放大器的優(yōu)勢是：放大系數(shù)可變，信號輸入的動態(tài)范圍大，還可以配置成有源濾波器。但放大器的最高工作頻率和工作寬帶必須滿足系統(tǒng)設(shè)計的需要，避免信號失真，同時應(yīng)該考慮放大器引入的噪聲損失，為避免對A/D轉(zhuǎn)換器性能的不利影響，前置放大器的信噪比應(yīng)遠(yuǎn)大于A/D轉(zhuǎn)換器的信噪比。當(dāng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100MHz時，盡可能采用信號變壓器，其性能指標(biāo)（如最高工作頻率和工作帶寬）優(yōu)于信號放大器，而且信號失真很小，但信號放大系數(shù)固定，輸入信號的幅度受到限制。該設(shè)計中采用前置放大器,其前端的信號調(diào)理電路如圖2所示。

2 A/D轉(zhuǎn)換模塊
將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換成離散信號進而轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以適用于處理的重要芯片是A/D轉(zhuǎn)換器。一般的逐次逼進型A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換速度最多在每秒鐘幾萬次，不能滿足高速采樣的要求。該設(shè)計中選擇TI公司的TLC5540高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其具有8位分辨率，內(nèi)置采樣和保持電路，該芯片采用一種改進的半閃結(jié)構(gòu)、CMOS工藝制造，因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量，而且在高速轉(zhuǎn)換的同時，能夠保持低功耗，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)40Mb/s。

TLC5540以流水線的工作方式進行工作，在每一個CLK周期均啟動一次采樣，完成一次采樣，每次啟動采樣是在CLK的下降沿進行，第n次采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)過3個時鐘周期的延遲之后，送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，所以系統(tǒng)剛啟動時讀取的3個數(shù)據(jù)是無效數(shù)據(jù)，在軟件設(shè)計時，必須拋棄系統(tǒng)啟動時讀取的前3個數(shù)據(jù)。

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3 CPLD模塊
該設(shè)計中采用ALTERA公司的EPM7128S, 它實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制邏輯。主要有下面幾個控制模塊電路構(gòu)成：
● 時鐘控制電路，提供A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘信號（ACLK）,該信號同時提供了給存儲器的WR,以控制整個系統(tǒng)的采樣頻率。
● 地址產(chǎn)生電路，生成SRAM的地址控制信號，每寫完一次SRAM, 地址自動加1。
● 地址總線切換電路，對內(nèi)部地址發(fā)生器和LPC2214產(chǎn)生的兩組地址進行切換，提供給存儲器。當(dāng)處于寫存儲器時，存儲器的地址由內(nèi)部地址發(fā)生器發(fā)生；當(dāng)處于LPC2214讀存儲器時，存儲器的地址由LPC2214的地址總線提供。
● 數(shù)據(jù)總線切換電路，對A/D的數(shù)據(jù)線和LPC2214的數(shù)據(jù)總線進行切換，當(dāng)寫數(shù)據(jù)時，使數(shù)據(jù)從A/D輸出到存儲器，讀數(shù)據(jù)時，使數(shù)據(jù)從存儲器讀到LPC2214的數(shù)據(jù)總線。
● 地址譯碼及邏輯控制電路，完成對系統(tǒng)地址總線的譯碼，產(chǎn)生各種必須的控制信號。

圖2 信號調(diào)理電路

4 MCU模塊
該設(shè)計中采用Philips公司的LPC2214的微處理器，用它來對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、顯示、處理操作，并作為系統(tǒng)與上位機溝通的橋梁。LPC2214是基于ARM7TDMI核的RISC微處理器，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32位核，最適合對價格及功耗敏感的場合。LPC2214在ARM7TDMI核的基礎(chǔ)上擴展了一系列通用外圍器件，使其特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制，由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，使其也非常適用于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟MODEM以及其他類型的應(yīng)用。

5 ARM與網(wǎng)卡芯片接口設(shè)計
為使采集到的數(shù)據(jù)或處理后的數(shù)據(jù)傳送到上位機，需在系統(tǒng)中增加以太網(wǎng)接口，通常有兩種方法：（1）ARM微處理器＋網(wǎng)絡(luò)控制器，這種方法對處理器沒有特殊的要求，只要把以太網(wǎng)芯片連接到處理器的總線上即可，此方法的通用性較強，不受處理器的限制；（2）采用帶以太網(wǎng)接口的ARM微處理器，但通常這種處理器往往是面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而設(shè)計的，不是特別適用于工業(yè)領(lǐng)域。故該設(shè)計中選用第一種方法。
網(wǎng)路控制器RTL8019AS是目前比較常用的10Mb/s嵌入式以太網(wǎng)控制芯片，在芯片內(nèi)部集成了DMA控制器，ISA總線控制器和16KB SRAM，網(wǎng)路PHY收發(fā)器。用戶可以通過DMA方式把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)SRAM中，讓芯片自動將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；而芯片在接受到數(shù)據(jù)后，用戶也可以通過DMA方式將其讀出。

系統(tǒng)基本工作原理
數(shù)據(jù)采集器置于被監(jiān)控的設(shè)備處，對傳送過來的模擬信號進行信號調(diào)理，LPC2214啟動系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，CPLD控制器輸出一個脈沖給A/D轉(zhuǎn)換器的CLK端，使其開始第n次A/D轉(zhuǎn)換，同時將CPLD內(nèi)部地址發(fā)生電路產(chǎn)生的地址信號經(jīng)地址選擇器直接送到存儲器，A/D轉(zhuǎn)換器所采集到的第n-3次的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)總線直接輸入到存儲器中保存。[!--empirenews.page--]

由于采樣頻率高，用CPLD將采樣數(shù)據(jù)存儲到兩路同步動態(tài)存儲器（SDRAM）中。CPLD先把采集到的數(shù)據(jù)以DMA的方式存儲到A路SDRAM中。 等數(shù)據(jù)寫滿A路SDRAM后，由CPLD器件引起LPC2214外部中斷，LPC2214進入中斷處理程序，讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)，并進行處理，同時CPLD將接下來采集到的數(shù)據(jù)以DMA的方式存儲到B路SDRAM中, 等存儲器B數(shù)據(jù)裝滿后，CPLD器件引起LPC2214外部中斷，LPC2214進入中斷處理程序，讀取B路SDRAM中的數(shù)據(jù)，并進行處理，如此循環(huán)下去，完成數(shù)據(jù)的接收和傳輸并行。
可以看到ARM微處理器只控制數(shù)據(jù)采集的啟動和對采集到的數(shù)據(jù)進行快速處理和傳輸，在數(shù)據(jù)采集的過程中，ARM微處理器不對采集通道進行任何控制，完全由硬件自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的全過程，實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采集的目的。

系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件部分要分別編寫LPC2214的處理模塊程序和CPLD的控制模塊程序，LPC2214的程序包括嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II和各應(yīng)用程序的編寫，CPLD控制模塊程序用VHDL語言來實現(xiàn)。

在編寫處理器的處理程序時，如采用單任務(wù)順序機制，系統(tǒng)的安全性差，這對于穩(wěn)定性、實時性要求高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是不允許的，因此根據(jù)整個裝置實現(xiàn)的功能和對它的要求進行系統(tǒng)任務(wù)的分割，并分配優(yōu)先級，由操作系統(tǒng)來進行管理調(diào)度。本設(shè)計選用μC/OS-II操作系統(tǒng)，μC/OS-II V2.52已通過美國航空航天管理局（FAA）的安全認(rèn)證，其采用優(yōu)先級調(diào)度算法完成任務(wù)間的調(diào)度，支持搶占式調(diào)度，具有執(zhí)行效率高、占有空間小、實時性能優(yōu)良和擴展性強等特點，其內(nèi)核還提供信號量、消息郵箱、消息隊列、內(nèi)存管理等系統(tǒng)服務(wù)。程序架構(gòu)如圖3所示。

圖3 程序架構(gòu)圖

根據(jù)應(yīng)用，本系統(tǒng)分為以下幾個任務(wù)：軟復(fù)位任務(wù)（程序?qū)ο到y(tǒng)初始狀態(tài)進行重新設(shè)定），對SDRAM的讀取、與上位機的TCP/IP通信、顯示任務(wù)、鍵盤管理任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，任務(wù)間的通信通過消息隊列來完成。系統(tǒng)中的每個任務(wù)包括應(yīng)用程序、任務(wù)堆棧和任務(wù)控制塊三部分。任務(wù)控制塊是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)任務(wù)的CPU使用權(quán)被剝奪時，μC/OS-II用它來保存該任務(wù)的狀態(tài)，當(dāng)任務(wù)重新獲得CPU的使用權(quán)時，任務(wù)控制塊能確保任務(wù)從被中斷的那一點執(zhí)行下去，操作系統(tǒng)可以通過查詢?nèi)蝿?wù)控制塊的內(nèi)容從而對任務(wù)進行調(diào)度管理。

在用μC/OS-II作為內(nèi)核來編寫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件之前，必須完成μC/OS-II在微處理器的移植工作，由于μC/OS-II在設(shè)計之初就充分考慮了在不同處理器上的移植問題，其結(jié)構(gòu)化設(shè)計把與處理器相關(guān)的部分分離出來，因此在任何處理器上的移植  μC/OS-II都只需要關(guān)心三個文件：頭文件OS_CPU.H、文件OS_CPU_C.C和匯編文件OS_CPU_A.ASM。

為了滿足系統(tǒng)與以太網(wǎng)直接交換信息的需要，本設(shè)計在μC/OS-II中移植了LWIP（Light Weight IP輕型IP協(xié)議）協(xié)議棧。LWIP是瑞士計算機科學(xué)院Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。LWIP可以移植到操作系統(tǒng)上，也可以在無操作系統(tǒng)的情況下運行，LWIP實現(xiàn)的重點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用，一般它只需要幾十字節(jié)的RAM和40Kb左右的ROM就可以了。
LWIP可以很容易地在μC/OS-II的調(diào)度下，為系統(tǒng)增加網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)管理功能。LWIP把所有與硬件、操作系統(tǒng)、編譯器相關(guān)的部分獨立出來，放在/src/arch目錄下，因此LWIP在   μC/OS-II上的移植修改這個目錄下的文件即可。

結(jié)論
在ARM微處理器中移入嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性得到保證，實時操作系統(tǒng)將應(yīng)用分解成多任務(wù)，簡化了應(yīng)用系統(tǒng)軟件的設(shè)計；采用CPLD器件集成了電路的全部控制功能，擺脫了單純用由微控制器為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時的速度瓶頸，極大提高了數(shù)據(jù)采集速度。整個系統(tǒng)具有速度高、實時性好、抗干擾能力強、性價比高等特點。