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

大地電磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)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(cè)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(rèn)識(shí)地球內(nèi)部的構(gòu)造形態(tài)，達(dá)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(cè)海底潛艇等，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和國防的發(fā)展都有重要的推動(dòng)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(hào)的采集及處理。但由于單片機(jī)本身的指令周期以及處理速度的影響，對(duì)于多通道A/D進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，普通的MCU往往不容易達(dá)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(diǎn)，并針對(duì)大地電磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)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(jì)，采集主控制邏輯用FPGA實(shí)現(xiàn)，ARM用來實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大、衰減以及阻抗匹配，從而滿足ADC對(duì)輸入信號(hào)的要求。濾波網(wǎng)絡(luò)濾除高頻噪聲和工頻信號(hào)的干擾，增益放大通過ARM給出的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的不同增益的放大處理。ADS1255負(fù)責(zé)把模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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(shí)鐘由FPGA提供，改變FPGA輸出時(shí)鐘的頻率就能實(shí)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(duì)雙口RAM的數(shù)據(jù)寫入和ARM對(duì)數(shù)據(jù)的讀取是通過乒乓傳輸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)FPGA寫滿雙口RAM上半?yún)^(qū)后，向ARM申請(qǐng)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(jìn)行存儲(chǔ)；同時(shí)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(jìn)行。
2 FPGA的邏輯設(shè)計(jì)
　　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(hào)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(duì)應(yīng)的AD芯片提供統(tǒng)一時(shí)鐘，使得AD同步地選擇相應(yīng)的通道進(jìn)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(chǔ)在雙口RAM對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，然后由ARM從相應(yīng)的雙口RAM空間讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)或經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理。根據(jù)以上流程以及FPGA要實(shí)現(xiàn)的功能，整個(gè)FPGA邏輯設(shè)計(jì)劃分為通道和采樣率選擇模塊、時(shí)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(chǔ)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(shí)際應(yīng)用中并不是每個(gè)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(gè)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(duì)應(yīng)ADC通道CH0～CH4，5～7 bit保留；寄存器B的8 bit分別對(duì)應(yīng)采樣率FS0～FS7。如果要選擇某幾個(gè)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(huì)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(gè)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(shí)鐘模塊會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)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(shí)鐘模塊
　　本設(shè)計(jì)中外部輸入時(shí)鐘為16.384 MHz。由于設(shè)計(jì)中各個(gè)模塊工作時(shí)鐘的不同以及AD采樣率的變化，所以需要多種不同的時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘模塊的功能就是根據(jù)不同采樣率為各個(gè)模塊提供所需的時(shí)鐘信號(hào)。由于該設(shè)計(jì)采用同步時(shí)序電路，它是基于時(shí)鐘觸發(fā)沿設(shè)計(jì)，對(duì)時(shí)鐘的周期、占空比、延時(shí)、抖動(dòng)提出了較高的要求，為此本設(shè)計(jì)中采用FPGA所帶的PLL時(shí)鐘資源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的主時(shí)鐘，使其達(dá)到最低的時(shí)鐘抖動(dòng)和延遲。
2.3 雙口RAM模塊
　　本設(shè)計(jì)中雙口RAM用于數(shù)據(jù)緩存，一方面存儲(chǔ)各個(gè)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(jìn)一步的存儲(chǔ)與處理。它具有真正的雙端口，可以同時(shí)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，兩個(gè)端口具有獨(dú)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(shí)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(shí)序圖，在其芯片的引腳發(fā)出相應(yīng)的時(shí)序控制信號(hào)，使ADS1255完成啟動(dòng)、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(dòng)轉(zhuǎn)換，通過查詢ADS1255的DRDY信號(hào)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(shí)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(gè)觸發(fā)脈沖的到來。

這一控制過程通過狀態(tài)機(jī)實(shí)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(dāng)數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)信號(hào)START為高電平時(shí)，狀態(tài)機(jī)啟動(dòng)。

　　狀態(tài)機(jī)的各個(gè)狀態(tài)描述如下：
　　(1)conv_init：狀態(tài)機(jī)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：?jiǎn)?dòng)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(jìn)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(gè)bit信息，同時(shí)使能移位寄存器進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)保持在該狀態(tài)，直到采樣啟動(dòng)脈沖觸發(fā)重新開始新的一次采樣任務(wù)，狀態(tài)機(jī)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(shí)現(xiàn)，其移位控制信號(hào)由AD采樣控制模塊提供。
2.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)一個(gè)字節(jié)將其寫入雙口RAM中，實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)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(hào)。圖5是一個(gè)五通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)使能寫RAM，滿足設(shè)計(jì)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(dāng)ARM向控制寄存器寫入采集參數(shù)信息時(shí)，接口模塊要將該信息通知通道和采樣率選擇模塊；當(dāng)ARM讀取雙口RAM中的數(shù)據(jù)時(shí)，接口模塊對(duì)ARM的訪問地址進(jìn)行譯碼，選中對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間取出數(shù)據(jù)。
　　本文采用FPGA和ARM結(jié)合設(shè)計(jì)，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(xì)介紹了FPGA邏輯的設(shè)計(jì)方法。FPGA邏輯通過硬件描述語言Verilog實(shí)現(xiàn)，已應(yīng)用到磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。本方案設(shè)計(jì)靈活，能很容易地?cái)U(kuò)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(jìn)行擴(kuò)展，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。