基于FPGA的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

大地電磁場攜帶著地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、溫度、壓力以及物質(zhì)成分的物理狀態(tài)等信息，為人們研究板塊運動的規(guī)律、追溯地球的演化歷史提供了科學(xué)依據(jù)。大地電磁探測是研究大陸巖石圈導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)的有效方法之一，使人們從電性角度認識地球內(nèi)部的構(gòu)造形態(tài)，達到了解地下不同深度地質(zhì)情況的目的。該技術(shù)應(yīng)用前景廣泛，可用于地下更深層找礦、找水、找油、監(jiān)測海底潛艇等，對國民經(jīng)濟和國防的發(fā)展都有重要的推動作用。
　　最常用的數(shù)據(jù)采集方案多以MCU為核心，控制多路信號的采集及處理。但由于單片機本身的指令周期以及處理速度的影響，對于多通道A/D進行控制及數(shù)據(jù)處理，普通的MCU往往不容易達到要求?？紤]到FPGA器件的高集成度、內(nèi)部資源豐富、特別適合處理多路并行數(shù)據(jù)等明顯優(yōu)于普通微處理器的特點，并針對大地電磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對實時性和同步性的要求，本文提出了一種多通道數(shù)據(jù)采集方案。采用FPGA與ARM相結(jié)合的設(shè)計，采集主控制邏輯用FPGA實現(xiàn)，ARM用來實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)傳輸控制。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。A/D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1255；FPGA采用Altera公司的EP2C35；ARM為ARM9內(nèi)核的處理器S3C2410。雙口RAM由EP2C35內(nèi)部存儲器塊配置而成，該雙口RAM與ARM的系統(tǒng)總線相連，映射為ARM的一塊內(nèi)存區(qū)。

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　　AD前端處理電路的作用是實現(xiàn)對信號的放大、衰減以及阻抗匹配，從而滿足ADC對輸入信號的要求。濾波網(wǎng)絡(luò)濾除高頻噪聲和工頻信號的干擾，增益放大通過ARM給出的控制信號實現(xiàn)對模擬信號的不同增益的放大處理。ADS1255負責(zé)把模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，可以通過功能選擇設(shè)置ADS1255工作在不同的工作模式下。ADS1255的工作時鐘由FPGA提供，改變FPGA輸出時鐘的頻率就能實現(xiàn)AD采樣率的改變。FPGA并行控制5路AD的數(shù)據(jù)采集，并把采集到的各路數(shù)據(jù)按順序以字節(jié)的形式寫入雙口RAM中緩存。FPGA對雙口RAM的數(shù)據(jù)寫入和ARM對數(shù)據(jù)的讀取是通過乒乓傳輸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。當FPGA寫滿雙口RAM上半?yún)^(qū)后，向ARM申請中斷，ARM響應(yīng)中斷后，讀出上半?yún)^(qū)數(shù)據(jù)到內(nèi)存中進行存儲；同時FPGA向RAM的下半?yún)^(qū)寫數(shù)據(jù)，寫滿下半?yún)^(qū)后也向ARM發(fā)出中斷，通知ARM讀出下半?yún)^(qū)數(shù)據(jù)。通過乒乓傳輸保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)傳輸可以連續(xù)進行。
2 FPGA的邏輯設(shè)計
　　本方案中的數(shù)據(jù)采集流程如下：系統(tǒng)初始化后，ARM通過控制信號把采樣頻率、通道選擇等參數(shù)通知給FPGA，然后FPGA向需要同步采樣的通道對應(yīng)的AD芯片提供統(tǒng)一時鐘，使得AD同步地選擇相應(yīng)的通道進行數(shù)據(jù)的同步采樣和轉(zhuǎn)換，其結(jié)果由FPGA接收并存儲在雙口RAM對應(yīng)的存儲空間，然后由ARM從相應(yīng)的雙口RAM空間讀取數(shù)據(jù)進行本地存儲或經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機進行處理。根據(jù)以上流程以及FPGA要實現(xiàn)的功能，整個FPGA邏輯設(shè)計劃分為通道和采樣率選擇模塊、時鐘模塊、雙口RAM模塊、AD采樣控制模塊、串并轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲控制模塊、ARM接口控制模塊。
　　各模塊連接關(guān)系如圖2所示。

2.1 通道和采樣率選擇模塊
　　在實際應(yīng)用中并不是每個通道都被使用，AD的采樣率也不只一種，所以在通道的控制和采樣率設(shè)置上應(yīng)該具有可選擇性。
　　通道和采樣率選擇模塊提供2個8 bit的控制寄存器A和B。如圖3所示，寄存器A的0～4 bit分別對應(yīng)ADC通道CH0～CH4，5～7 bit保留；寄存器B的8 bit分別對應(yīng)采樣率FS0～FS7。如果要選擇某幾個通道，只需將寄存器A中相應(yīng)的位置1，其他位置0，AD采樣控制模塊就會根據(jù)該寄存器中的內(nèi)容使能相應(yīng)的通道。如果要選擇某一個采樣頻率，只需把寄存器B中相應(yīng)的位置1，其他位置0，時鐘模塊會產(chǎn)生相應(yīng)的時鐘控制AD的采樣率。在開啟數(shù)據(jù)采集之前，ARM應(yīng)根據(jù)所要求的通道和采樣頻率向寄存器A和B寫入相應(yīng)命令字。

2.2 時鐘模塊
　　本設(shè)計中外部輸入時鐘為16.384 MHz。由于設(shè)計中各個模塊工作時鐘的不同以及AD采樣率的變化，所以需要多種不同的時鐘信號。時鐘模塊的功能就是根據(jù)不同采樣率為各個模塊提供所需的時鐘信號。由于該設(shè)計采用同步時序電路，它是基于時鐘觸發(fā)沿設(shè)計，對時鐘的周期、占空比、延時、抖動提出了較高的要求，為此本設(shè)計中采用FPGA所帶的PLL時鐘資源驅(qū)動設(shè)計的主時鐘，使其達到最低的時鐘抖動和延遲。
2.3 雙口RAM模塊
　　本設(shè)計中雙口RAM用于數(shù)據(jù)緩存，一方面存儲各個AD芯片轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，另一方面供ARM讀取數(shù)據(jù)做進一步的存儲與處理。它具有真正的雙端口，可以同時對其進行數(shù)據(jù)存取，兩個端口具有獨立的控制線、地址線和數(shù)據(jù)線。該雙口RAM模塊是通過調(diào)用Altera FPGA自帶的參數(shù)化模型庫(Mega-lpm)實現(xiàn)的。
2.4 A/D采樣控制模塊
　　A/D采樣控制模塊的主要任務(wù)就是根據(jù)ADS1255的轉(zhuǎn)換時序圖，在其芯片的引腳發(fā)出相應(yīng)的時序控制信號，使ADS1255完成啟動、配置和數(shù)據(jù)讀取等操作。ADS1255的控制操作如下：首先設(shè)置ADS1255的參數(shù)配置，讀數(shù)據(jù)模，然后啟動轉(zhuǎn)換，通過查詢ADS1255的DRDY信號判斷是否轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換結(jié)束后將數(shù)據(jù)按bit順序讀出。同時將數(shù)據(jù)輸出給串并轉(zhuǎn)換模塊，完成一次A/D轉(zhuǎn)換操作。采樣控制模塊每完成一次采樣操作，則停止等待下一個觸發(fā)脈沖的到來。

這一控制過程通過狀態(tài)機實現(xiàn)。圖4給出了該A/D轉(zhuǎn)換控制模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。當數(shù)據(jù)采集啟動信號START為高電平時，狀態(tài)機啟動。

　　狀態(tài)機的各個狀態(tài)描述如下：
　　(1)conv_init：狀態(tài)機的初始狀態(tài)。
　　(2)mode_set：設(shè)置ADS1255內(nèi)部的控制寄存器。
　　(3)conv_start：啟動A/D轉(zhuǎn)換。
　　(4)conv_wait：等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。如果轉(zhuǎn)換結(jié)束則進入下一狀態(tài)，否則將繼續(xù)保持在該狀態(tài)。
　　(5)conv_read：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀出每個bit信息，同時使能移位寄存器進行串并轉(zhuǎn)換。
　　(6)read_next：判斷數(shù)據(jù)是否讀完。如果沒有返回conv_read狀態(tài)，否則進入下一狀態(tài)。
　　(7)conv_next：判斷是否需要繼續(xù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。如果沒有就進入下一狀態(tài)，否則返回conv_start狀態(tài)。
　　(8)cony_end：表示本次采樣任務(wù)結(jié)束。狀態(tài)機保持在該狀態(tài)，直到采樣啟動脈沖觸發(fā)重新開始新的一次采樣任務(wù)，狀態(tài)機復(fù)位到conv_init狀態(tài)。
2.5 串并轉(zhuǎn)換模塊
　　由于ADS1255是以串行輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的，故需要該模塊將串行輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為井行輸出。該模塊主要采用移位寄存器來實現(xiàn)，其移位控制信號由AD采樣控制模塊提供。
2.6 數(shù)據(jù)存儲控制模塊
　　該模塊的作用是將5通道24 bit經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換的采樣數(shù)據(jù)按通道順序，以從低字節(jié)到高字節(jié)的次序，一個一個字節(jié)將其寫入雙口RAM中，實際上相當于一個字節(jié)意義上的并串轉(zhuǎn)換。該模塊輸入為5路采樣數(shù)據(jù)reg24Data_0～4，dataF為輸出的字節(jié)數(shù)據(jù)，wrenF為雙口RAM的寫控制信號。圖5是一個五通道數(shù)據(jù)存儲的仿真示意圖。輸入數(shù)據(jù)值分別為0x030201、0x060504、0x090807、0x121110、0x151413，輸出字節(jié)數(shù)據(jù)為01～15，同時使能寫RAM，滿足設(shè)計要求。

2.7 ARM接口控制模塊
　　該模塊為ARM與FPGA及其雙口RAM交互提供橋梁。當ARM向控制寄存器寫入采集參數(shù)信息時，接口模塊要將該信息通知通道和采樣率選擇模塊；當ARM讀取雙口RAM中的數(shù)據(jù)時，接口模塊對ARM的訪問地址進行譯碼，選中對應(yīng)的存儲空間取出數(shù)據(jù)。
　　本文采用FPGA和ARM結(jié)合設(shè)計，很好地完成了多通道高精度的數(shù)據(jù)采集與處理，并且還詳細介紹了FPGA邏輯的設(shè)計方法。FPGA邏輯通過硬件描述語言Verilog實現(xiàn)，已應(yīng)用到磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。本方案設(shè)計靈活，能很容易地擴展為更多路的數(shù)據(jù)采集，也能很容易地修改為與其他的A/D轉(zhuǎn)換芯片接口。所以該方案可根據(jù)不同的應(yīng)用進行擴展，進一步增強了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。