基于ARM和CPLD的高速数据采集系统设计

控制，由于内置了宽范围的串行通信接口，使其也非常适用于通信网关、协议转换器、嵌入式软MODEM以及其他类型的应用。


5 ARM与网卡芯片接口设计
为使采集到的数据或处理后的数据传送到上位机，需在系统中增加以太网接口，通常有两种方法：（1）ARM微处理器＋网络控制器，这种方法对处理器没有特殊的要求，只要把以太网芯片连接到处理器的总线上即可，此方法的通用性较强，不受处理器的限制；（2）采用带以太网接口的ARM微处理器，但通常这种处理器往往是面向网络应用而设计的，不是特别适用于工业领域。故该设计中选用第一种方法。
网路控制器RTL8019AS是目前比较常用的10Mb/s嵌入式以太网控制芯片，在芯片内部集成了DMA控制器，ISA总线控制器和16KB SRAM，网路PHY收发器。用户可以通过DMA方式把需要发送的数据写入片内SRAM中，让芯片自动将数据发送出去；而芯片在接受到数据后，用户也可以通过DMA方式将其读出。

系统基本工作原理
数据采集器置于被监控的设备处，对传送过来的模拟信号进行信号调理，LPC2214启动系统数据采集，CPLD控制器输出一个脉冲给A/D转换器的CLK端，使其开始第n次A/D转换，同时将CPLD内部地址发生电路产生的地址信号经地址选择器直接送到存储器，A/D转换器所采集到的第n-3次的数据经数据总线直接输入到存储器中保存。

由于采样频率高，用CPLD将采样数据存储到两路同步动态存储器（SDRAM）中。CPLD先把采集到的数据以DMA的方式存储到A路SDRAM中。 等数据写满A路SDRAM后，由CPLD器件引起LPC2214外部中断，LPC2214进入中断处理程序，读取SDRAM中的数据，并进行处理，同时CPLD将接下来采集到的数据以DMA的方式存储到B路SDRAM中, 等存储器B数据装满后，CPLD器件引起LPC2214外部中断，LPC2214进入中断处理程序，读取B路SDRAM中的数据，并进行处理，如此循环下去，完成数据的接收和传输并行。
可以看到ARM微处理器只控制数据采集的启动和对采集到的数据进行快速处理和传输，在数据采集的过程中，ARM微处理器不对采集通道进行任何控制，完全由硬件自动实现数据采集的全过程，实现了高速数据采集的目的。

系统软件设计
软件部分要分别编写LPC2214的处理模块程序和CPLD的控制模块程序，LPC2214的程序包括嵌入式操作系统μC/OS-II和各应用程序的编写，CPLD控制模块程序用VHDL语言来实现。


在编写处理器的处理程序时，如采用单任务顺序机制，系统的安全性差，这对于稳定性、实时性要求高的数据采集系统是不允许的，因此根据整个装置实现的功能和对它的要求进行系统任务的分割，并分配优先级，由操作系统来进行管理调度。本设计选用μC/OS-II操作系统，μC/OS-II V2.52已通过美国航空航天管理局（FAA）的安全认证，其采用优先级调度算法完成任务间的调度，支持抢占式调度，具有执行效率高、占有空间小、实时性能优良和扩展性强等特点，其内核还提供信号量、消息邮箱、消息队列、内存管理等系统服务。程序架构如图3所示。



图3 程序架构图


根据应用，本系统分为以下几个任务：软复位任务（程序对系统初始状态进行重新设定），对SDRAM的读取、与上位机的TCP/IP通信、显示任务、键盘管理任务和数据处理任务，任务间的通信通过消息队列来完成。系统中的每个任务包括应用程序、任务堆栈和任务控制块三部分。任务控制块是一个数据结构，当任务的CPU使用权被剥夺时，μC/OS-II用它来保存该任务的状态，当任务重新获得CPU的使用权时，任务控制块能确保任务从被中断的那一点执行下去，操作系统可以通过查询任务控制块的内容从而对任务进行调度管理。


在用μC/OS-II作为内核来编写数据采集系统系统的应用软件之前，必须完成μC/OS-II在微处理器的移植工作，由于μC/OS-II在设计之初就充分考虑了在不同处理器上的移植问题，其结构化设计把与处理器相关的部分分离出来，因此在任何处理器上的移植 μC/OS-II都只需要关心三个文件：头文件OS_CPU.H、文件OS_CPU_C.C和汇编文件OS_CPU_A.ASM。


为了满足系统与以太网直接交换信息的需要，本设计在μC/OS-II中移植了LWIP（Light Weight IP轻型IP协议）协议栈。LWIP是瑞士计算机科学院Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。LWIP可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下运行，LWIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般它只需要几十字节的RAM和40Kb左右的ROM就可以了。
LWIP可以很容易地在μC/OS-II的调度下，为系统增加网络通信和网络管理功能。LWIP把所有与硬件、操作系统、编译器相关的部分独立出来，放在/src/arch目录下，因此LWIP在 μC/OS-II上的移植修改这个目录下的文件即可。