基于ARM和CPLD的高速数据采集系统设计

作者：安徽工商职业学院 张春芳 康震群

数据采集系统是通过采样电路将输入的模拟信号转换成离散信号，并送入CPU、MCU或DSP进行处理。现在流行的基于PCI总线设计的采集卡是数据采集系统的主流，其优点是可以利用PCI总线的研究成果快速的开发系统软件，整体运行速度快，能够实现实时采集实时处理。但在一些工业测控现场检测大型设备时，从现场到机房有一定的距离，模拟信号传到安装在PC内的PCI数据采集卡会有不同程度的衰减，且易受工业环境的干扰。而单纯用由微控制器（MCU）为核心的数据采集系统时，把数据采集器置于被监测的设备处，虽然可以避免模拟信号的衰减和被干扰，但在这种数据采集系统中，A/D转换器的启动、读取数据并存入到存储器的整个过程由MCU来参与控制，由于受MCU执行指令时间的限制，采集的速率较低，难以适应高速信号采集的需要。本文利用ARM微处理器和CPLD器件组成的现场数据采集系统，然后通过以太网接口于上位机相连，就可以有效解决上述问题。

系统的设计方案
整个数据采集系统如图1所示。数据采集系统首先对采集的信号进行前端处理，如信号放大、滤波等预处理。采用的CPLD器件实现整个系统的控制逻辑，它控制着采集通道的切换、A/D转换的起/停、转换后的数据存放在存储单元的地址发生器、产生中断请求以通知ARM读取存放在存储器中的数据，由ARM微处理器进行快速的处理和传输。



图1 数据采集系统框图


1 信号调理模块
在信号进行数模转换前，在保证被采集信号不失真的前提下，对输入的信号进行放大、滤波等预处理。高速数据采集系统的输入信号通常为高频信号，需要进行阻抗匹配和前置放大，可以选用高速低噪声信号前置放大器和信号变压器。信号前置放大器的优势是：放大系数可变，信号输入的动态范围大，还可以配置成有源滤波器。但放大器的最高工作频率和工作宽带必须满足系统设计的需要，避免信号失真，同时应该考虑放大器引入的噪声损失，为避免对A/D转换器性能的不利影响，前置放大器的信噪比应远大于A/D转换器的信噪比。当频率远远大于100MHz时，尽可能采用信号变压器，其性能指标（如最高工作频率和工作带宽）优于信号放大器，而且信号失真很小，但信号放大系数固定，输入信号的幅度受到限制。该设计中采用前置放大器,其前端的信号调理电路如图2所示。


2 A/D转换模块
将连续信号转换成离散信号进而转换成数字信号以适用于处理的重要芯片是A/D转换器。一般的逐次逼进型A/D转换芯片的转换速度最多在每秒钟几万次，不能满足高速采样的要求。该设计中选择TI公司的TLC5540高速模数转换芯片，其具有8位分辨率，内置采样和保持电路，该芯片采用一种改进的半闪结构、CMOS工艺制造，因而大大减少了器件中比较器的数量，而且在高速转换的同时，能够保持低功耗，转换速率可达40Mb/s。


TLC5540以流水线的工作方式进行工作，在每一个CLK周期均启动一次采样，完成一次采样，每次启动采样是在CLK的下降沿进行，第n次采样的数据经过3个时钟周期的延迟之后，送到内部数据总线上，所以系统刚启动时读取的3个数据是无效数据，在软件设计时，必须抛弃系统启动时读取的前3个数据。


3 CPLD模块
该设计中采用ALTERA公司的EPM7128S, 它实现整个系统的控制逻辑。主要有下面几个控制模块电路构成：
● 时钟控制电路，提供A/D转换器的时钟信号（ACLK）,该信号同时提供了给存储器的WR,以控制整个系统的采样频率。
● 地址产生电路，生成SRAM的地址控制信号，每写完一次SRAM, 地址自动加1。
● 地址总线切换电路，对内部地址发生器和LPC2214产生的两组地址进行切换，提供给存储器。当处于写存储器时，存储器的地址由内部地址发生器发生；当处于LPC2214读存储器时，存储器的地址由LPC2214的地址总线提供。
● 数据总线切换电路，对A/D的数据线和LPC2214的数据总线进行切换，当写数据时，使数据从A/D输出到存储器，读数据时，使数据从存储器读到LPC2214的数据总线。
● 地址译码及逻辑控制电路，完成对系统地址总线的译码，产生各种必须的控制信号。



图2 信号调理电路


4 MCU模块
该设计中采用Philips公司的LPC2214的微处理器，用它来对采集到的数据进行存储、显示、处理操作，并作为系统与上位机沟通的桥梁。LPC2214是基于ARM7TDMI核的RISC微处理器，ARM7TDMI为低功耗、高性能的16/32位核，最适合对价格及功耗敏感的场合。LPC2214在ARM7TDMI核的基础上扩展了一系列通用外围器件，使其特别适用于工业控制、医疗系统、访问