基于ARM和FPGA的高速高空數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

隨著人們對高空的興趣發(fā)展和研究需要，越來越多的科學實驗被科研人員搬到了空中進行，氣球探空和無人機實驗是比較典型的方法。這些科學實驗往往需要在一定的實驗條件到達時觸發(fā)某特定實驗現(xiàn)象，從而對發(fā)生時間非常短促且不具備可重復再現(xiàn)性的實驗目標數(shù)據(jù)進行高速采集。日前，筆者參與的項目中需要完成的任務是：通過無線通信實現(xiàn)對高空實驗設備進行控制，對整個實驗過程進行實時觀察分析(其中的實驗條件數(shù)據(jù)通過GPS接收機，紅外虛擬邏輯分析儀等設備實時采集)，待實驗到達觸發(fā)條件時，通過手動(或自動可選)的方法實施觸發(fā)，再對觸發(fā)后的實驗目標數(shù)據(jù)進行采集并傳回地面PC進行后續(xù)的分析處理。該項目采用ARM和FPGA分別作為主從處理器設計嵌入式采集系統(tǒng)，采用多通道A／D并行采樣實驗目標數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過基于串口的無線數(shù)傳模塊與地面實時通信。

1 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)的硬件結構原理圖如圖1所示。

在該系統(tǒng)設計方案中，ARM采用Samsung公司基于ARM920T的S3C2410，其主要技術指標如：支持32 b ARM指令集和16 b Thumb指令集；支持32 b的高速AMBA總線接口；帶有MMU(內存管理單元)，可以進行Linux操作系統(tǒng)的移植；MPU支持實時操作系統(tǒng)；采用五級流水線和哈佛結構，獨立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力；支持TFT的LCD控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路帶PWM的Timer、8路10位ADC、觸摸屏接口、I2C總線接口，以及2個USB主設備接口和1個USB從設備接口等豐富的外圍設備和接口。FPGA采用AItera公司StratixⅡ系列的EP2S15器件，EP2S15現(xiàn)場可編程門陣列系列速度快容量高，它采用1．2 V，90 nm全銅層SRAM工藝和創(chuàng)新的適應邏輯模塊(ALM)結構，有最大化的性能，器件密度可達到15 600等效邏輯元(LE)，能提供419 Kb片內TriMatrix存儲器，多達12個DSP區(qū)塊有48(18 b×18 b)乘法器，用來實現(xiàn)高性能濾波器和其他DSP功能，支持各種高速外接存儲器接口，支持各種標準的I／O，高速差分I／O，具有豐富的外部資源以及支持多種高性能標準。
在該系統(tǒng)中，ARM主要負責核心處理和控制，總線實現(xiàn)ARM與FPGA之間的通信，存儲器負責程序和數(shù)據(jù)的存儲，其中FLASH存儲程序和文件，SDRAM存儲系統(tǒng)運行時的程序和數(shù)據(jù)，ARM通過GPIO連接實驗中的相關繼電器、觸發(fā)設備、輸出電壓控制設備、以及特定設備采樣A／D并進行驅動，通過FPGA擴展RS 232串口分時控制和讀取GPS接收機、紅外虛擬邏輯分析儀等設備數(shù)據(jù)，通過總線連接FPGA并控制FPGA動作來啟動和完成數(shù)據(jù)采集，通過RS232通信接口負責與地面PC的交互。本系統(tǒng)充分發(fā)揮了ARM芯片的強大處理能力和FPGA的高速并行能力，成功實現(xiàn)實驗目的。
ARM和FPGA的總線接口如圖2所示。