基于基于FPGA+ARM的数据采集系统设计的数据采集系统设计
设计了基于FPGA 与ARM 芯片的数据采集系统,FPGA 负责控制A/D 转换器,保证了采样精度与处理速
度,ARM 负责逻辑控制及与上位机交互的实现,并将采集到的数据通过USB 高速上传至主机进行实时处理。对
模拟数据采集的测试结果达到了较高的采样精度和速度,验证了整个系统的高速性和可行性。
随着计算机技术与现代工业系统的发展,工业领域中对数据采集的精度和数据处理的实时性提出了更加苛刻的要求,以保证后
续更加复杂的控制,而传统的数据采集系统一般采用A/D 芯片与主控芯片搭配的方法,处理速度慢、功能单一,当被测对象复
杂且数据量较大时,很难满足对数据高精度的采样,而通过RS232 串口与上位机通信则更无法保证数据处理的实时性。针对
这一实际情况,设计了基于FPGA 与ARM 搭配的数据采集系统,FPGA 负责保证数据采样的高精度和高速度,而ARM 作为主
控芯片,嵌入Linux 内核,负责控制整个系统,并将数据通过USB高速上传到上位机中,借助上位机的强大运算能力,保证数
据处理的实时性,同时根据不同的被测信号只需选择相应的数据采集卡,即可方便简单地组成一个用户自定义的数据采集系
统,具备良好的通用性。
1 系统总体设计
数据采集系统的总体结构如图1 所示,主要由输入调理电路、A/D 转换电路、FPGA 和ARM控制电路组成。被采集的模拟信号
经由调理电路输入到A/D 转换芯片,进行模数转换,在FPGA的控制下送入到FPGA 内嵌的FIFO 存储模块中并通知ARM 立即
取走数据,最后通过USB 交由上位机进行实时处理。
2 FPGA 系统设计
FPGA 具有高集成度、高可靠性、低功耗及时序控制精确等优点,选用Xilinx Spartan3 系列的XC3S200 负责控制A/D 转换及
数据的缓存,可以简化电路设计,缩短开发周期。ARM 选用Atmel公司的SAM9G45 芯片,工作频率达400MHz,能够保证实
时高速地控制采集系统和上传数据。
2. 1 FPGA 与ADC 的连接与控制
数据采集芯片选用ADI 公司的AD7656,是一款六通道16 位逐次逼近型,低功耗,每路通道最大采集速度为250kS /s 的A/D 转
换芯片,可实现较高的采样精度和速率。
FPGA 与AD7656 的连接如图2 所示,AD7656 的6 个采样通道被分为3 组,由CONV STA、CONV STB 和CONV STC 3 个信
号启动对应的双通道同步采样,将该3 个引脚相连即可实现6个输入通道的同步采样,同时提供并行和串行接口两种模式,为
了提高数据吞吐率,采用16 位( /B 引脚置低) 的并行接口( SER/引脚置低) 模式,以便与FPGA 的16 位数据线直接相连传输数
据。
FPGA 中的A/D 控制模块通过将CONV ST引脚电平拉高,启动相应通道的采样,采样过程中BUSY 引脚为高电平,表示正在
进行采样; 当采样完毕后,AD7656 自动将BUSY 置低; FPGA 中的A/D 控制模块检测到BUSY 信号为低后将CS 和RD 信号置
低,读取并保存数据到FPGA 内部的FIFO 中。FPGA 对AD7656 的控制过程仿真如图3 所示。
2. 2 FPGA 与ARM 的连接
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