基于ARM和CPLD的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過(guò)采樣電路將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)，并送入CPU、MCU或DSP進(jìn)行處理。現(xiàn)在流行的基于PCI總線設(shè)計(jì)的采集卡是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主流，其優(yōu)點(diǎn)是可以利用PCI總線的研究成果快速的開發(fā)系統(tǒng)軟件，整體運(yùn)行速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)采集實(shí)時(shí)處理。但在一些工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)大型設(shè)備時(shí)，從現(xiàn)場(chǎng)到機(jī)房有一定的距離，模擬信號(hào)傳到安裝在PC內(nèi)的PCI數(shù)據(jù)采集卡會(huì)有不同程度的衰減，且易受工業(yè)環(huán)境的干擾。而單純用由微控制器（MCU）為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，把數(shù)據(jù)采集器置于被監(jiān)測(cè)的設(shè)備處，雖然可以避免模擬信號(hào)的衰減和被干擾，但在這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)、讀取數(shù)據(jù)并存入到存儲(chǔ)器的整個(gè)過(guò)程由MCU來(lái)參與控制，由于受MCU執(zhí)行指令時(shí)間的限制，采集的速率較低，難以適應(yīng)高速信號(hào)采集的需要。本文利用ARM微處理器和CPLD器件組成的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后通過(guò)以太網(wǎng)接口于上位機(jī)相連，就可以有效解決上述問(wèn)題。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)首先對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行前端處理，如信號(hào)放大、濾波等預(yù)處理。采用的CPLD器件實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制邏輯，它控制著采集通道的切換、A/D轉(zhuǎn)換的起/停、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)單元的地址發(fā)生器、產(chǎn)生中斷請(qǐng)求以通知ARM讀取存放在存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，由ARM微處理器進(jìn)行快速的處理和傳輸。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

1 信號(hào)調(diào)理模塊
在信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換前，在保證被采集信號(hào)不失真的前提下，對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入信號(hào)通常為高頻信號(hào)，需要進(jìn)行阻抗匹配和前置放大，可以選用高速低噪聲信號(hào)前置放大器和信號(hào)變壓器。信號(hào)前置放大器的優(yōu)勢(shì)是：放大系數(shù)可變，信號(hào)輸入的動(dòng)態(tài)范圍大，還可以配置成有源濾波器。但放大器的最高工作頻率和工作寬帶必須滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，避免信號(hào)失真，同時(shí)應(yīng)該考慮放大器引入的噪聲損失，為避免對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器性能的不利影響，前置放大器的信噪比應(yīng)遠(yuǎn)大于A/D轉(zhuǎn)換器的信噪比。當(dāng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100MHz時(shí)，盡可能采用信號(hào)變壓器，其性能指標(biāo)（如最高工作頻率和工作帶寬）優(yōu)于信號(hào)放大器，而且信號(hào)失真很小，但信號(hào)放大系數(shù)固定，輸入信號(hào)的幅度受到限制。該設(shè)計(jì)中采用前置放大器,其前端的信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

2 A/D轉(zhuǎn)換模塊
將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)進(jìn)而轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以適用于處理的重要芯片是A/D轉(zhuǎn)換器。一般的逐次逼進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換速度最多在每秒鐘幾萬(wàn)次，不能滿足高速采樣的要求。該設(shè)計(jì)中選擇TI公司的TLC5540高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其具有8位分辨率，內(nèi)置采樣和保持電路，該芯片采用一種改進(jìn)的半閃結(jié)構(gòu)、CMOS工藝制造，因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量，而且在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí)，能夠保持低功耗，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)40Mb/s。

TLC5540以流水線的工作方式進(jìn)行工作，在每一個(gè)CLK周期均啟動(dòng)一次采樣，完成一次采樣，每次啟動(dòng)采樣是在CLK的下降沿進(jìn)行，第n次采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)3個(gè)時(shí)鐘周期的延遲之后，送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，所以系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)讀取的3個(gè)數(shù)據(jù)是無(wú)效數(shù)據(jù)，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須拋棄系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取的前3個(gè)數(shù)據(jù)。