基于ARM+FPGA的食用花生油質量快速 檢測儀的設計

食用油種類有很多種，各類食用油的檢測方法不盡相同。以花生油質量檢測為例，由花生油的特殊物理性質可知，花生油在0～5℃時開始結晶[1,2]，其他種類的食用油都不是在這個溫度下結晶，利用這一特殊物理性質，在花生油結晶狀態(tài)條件下對其進行吸光度測量，花生油在不同溫度的結晶度信息是不一樣的，所以需要一個恒定的溫度環(huán)境來確保測量精度。本文給出了一種基于ARM+FPGA的便攜式免化學試劑且環(huán)境友好型花生油質量快速檢測儀的設計方案。
1儀器工作原理與方案設計
食用油質量現場快速檢測儀是利用信號采集模塊檢測樣品油的吸光度，因為吸光度與樣品油的物質成分有關，通過吸光度可以了解樣品油的純度。
1.1工作原理
通過ARM處理器模糊PID計算，調整FPGA產生占空比可調的脈寬調制信號PWM，驅動熱電制冷器實現恒溫控制，儀器工作原理如圖1所示。信號采集模塊由單色LED光源和光頻轉換器TSL230B組成，TSL230B根據透射光強的不同，輸出頻率不同的脈沖信號（或方波信號）。因為透射光強與吸光度有關，FPGA讀取信號采集模塊輸入不同的脈沖信號的頻率，獲得吸光度的信息，FPGA再把吸光度的信息傳送給ARM控制器數據處理，計算出花生油樣品純度信息并在顯示器上顯示。

1.2 方案設計
ARM控制器具有信息處理能力強和高集成度的特點，現在很多智能儀器都是以ARM為核心的控制系統(tǒng)，但隨著檢測技術的發(fā)展，智能儀器的功能越來越多，控制過程設計的信息也越來越多，以ARM為核心的控制系統(tǒng)已經不能完全滿足要求。而FPGA包含有大量實現組合邏輯的資源，可以完成較大規(guī)模的組合邏輯電路設計。與此同時，它還包含有相當數量的觸發(fā)器，借助這些觸發(fā)器，FPGA又能完成復雜的時序邏輯功能[11]。ARM與FPGA 的綜合設計主要有以下優(yōu)點：
　(1)可以大幅減少外部器件的使用量。
　(2)可以應用于各種場合，例如過程控制。
　(3)控制對象比較多，使用一片ARM芯片與一片FPGA芯片使系統(tǒng)結構簡潔、靈活。
　(4)可以使整個系統(tǒng)設計變得功能分明、結構緊湊、時序容易控制等。
　根據系統(tǒng)需要的功能,設計了結構的總體框架圖，如圖2所示。通過鍵盤按鍵發(fā)送控制信息，檢測需要在溫度恒定的情況下完成，所以需要一個恒溫設備（熱電制冷器和溫度傳感器DS18B20組成）提供穩(wěn)定的檢測環(huán)境，光源用的是紅光LED燈，紅光照射到盛裝食用油的比色皿上，在光的透射方向上放一個光電檢測模塊（光頻轉換器TSL230B），把光電檢測模塊的數據傳送到CPU（ARM芯片+FPGA芯片組成），經過數據處理后送到LCD顯示。

2 系統(tǒng)功能模塊劃分
在ARM與FPGA 的綜合設計中，需要系統(tǒng)、合理地劃分其功能，劃分的原則是面向任務。本系統(tǒng)設計中，ARM作為核心器件，采用16 bit數據通信，FPGA作為ARM的擴展外設備和協處理器。
由系統(tǒng)的工作原理可知，根據系統(tǒng)任務需求，整個系統(tǒng)的功能劃分如圖3所示。

ARM功能模塊功能如下：
(1)UART0：接RS232串行接口，與計算機上的專用測控軟件連接，相互進行數據通信。
(2)通信模塊0： 與FPGA進行串行數據通信，給FPGA發(fā)送控制指令和數據，并接收FPGA發(fā)送的數據。
(3)I/O：連接LCD顯示器，顯示輸出信息；連接鍵盤按鍵，對系統(tǒng)發(fā)送控制信號；連接外部數字信號，本系統(tǒng)讀取的是溫度傳感器DS18B20的數據。
FPGA功能模塊功能如下：
(1)通信模塊2：與ARM進行串行數據通信，接收ARM發(fā)送的控制指令和數據，并向ARM發(fā)送數據。
(2)通用邏輯：實現存儲器控制功能。
(3)PWM：實現占空比可調的PWM輸出。
(4)計數器：對外部脈沖量頻率或方波頻率檢測。
(5)通信模塊1：接RS232串行通信接口，與一些外部設備連接，進行數據通信。
(6)其他擴展：用于一些備用功能的擴展，當需要增加一些功能時，不需要改變硬件就可以實現。
3 電路設計
3.1主控核心電路設計
ARM芯片S3C44B0X和FPGA芯片EP2C5T114C8是系統(tǒng)的核心器件，由于時鐘頻率不同，所以它們之間采用異步串行數據通信。
3.2電源電路設計
在整個系統(tǒng)設計中，系統(tǒng)各個部分對電源要求不一樣，電源設計非常重要，涉及到電源分配方案選擇、電源管理與監(jiān)控及電源功耗三個方面的內容。在整個系統(tǒng)中，ARM和FPGA電壓配置如表1所示。系統(tǒng)需要轉換成的電壓有5 V、3.3 V、2.5 V和1.2 V。
　所用電壓轉化芯片分別為AMS1117-5、AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2。
　在本系統(tǒng)中,首先用電壓轉換芯片AMS1117-5把外部直流電源的9 V電壓轉換成5 V直流電壓,電壓轉換電路如圖4(a)所示,再用電壓轉換芯片AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2把5 V直流電壓轉換成3.3 V、2.5 V 和1.2 V直流電壓，轉換電路如圖4(b)所示。

3.3下載配置電路設計
　　S3C44B0X下載配置支持的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO。其中TCK為測試時鐘輸入；TDI為測試數據輸入，數據通過TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測試數據輸出，數據通過TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測試模式選擇，用于設置JTAG接口處于某種特定的測試模式；nTRST為測試復位，輸入引腳低電平有效[4] ，如圖5(a)所示。

EP2C5T144C8支持JTAG接口和主動串行ASP接口下載配置，在具體設計中，可先用JTAG方式調試程序，當程序調試無誤后，再使用主動串行ASP方式把程序固化到配置芯片。如圖5（b）所示，JTAG為下載插座；E1為配置芯片EPCSISI8；ASP為主動串行ASP下載插座，供固化程序到配置芯片使用。
3.4 存儲系統(tǒng)電路設計
　S3C44B0X的存儲系統(tǒng)具有以下主要特性：ARM體系結構所支持的最大尋址空間為4 GB(232 B)，ARM體系結構將存儲器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合，從零字節(jié)到第3字節(jié)放置第1個存儲的字數據，從第4個字節(jié)到第7個字節(jié)放置第2個存儲的字數據，依次排列；有8個存儲體，訪問大小均可進行改變(8 bit/16 bit/32 bit)，每個存儲體可達32 MB,總共可達256 MB，Bank0～Bank5可支持ROM、SRAM存儲器，Bank6～Bank7可支持ROM、SRAM和FP/ED0/SDRAM存儲器；有小端格式和大端格式兩種方式存儲字數據，可以通過外部引腳選擇存儲方式，在小端存儲格式中，低地址中存放字數據的低字節(jié)，高地址存放字數據的高字節(jié)，大端格式低地址中存放字數據的高字節(jié)，高地址存放字數據的低字節(jié)[4]，Flash和SDRAM存儲器電路如圖6所示。