基于 SoPC 的震動(dòng)信號(hào)采集設(shè)備設(shè)計(jì)方法

AD7329與Nios Ⅱ接口的設(shè)計(jì)

1 接口硬件設(shè)計(jì)

SPI（Serial Peripheral Interface）即串行外圍設(shè)備接口是Motorola公司推出的一種同步串行接口。SPI總線是一種4線同步總線，占用較少的I/O資源。Nios Ⅱ與外界SPI接口通信可采用軟件控制I/O、Mege IP Core以及自定義外設(shè)等方法。

軟件控制I/O是利用CPU執(zhí)行程序來模擬SPI接口的時(shí)序從而完成通信，其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、使用方便，但是由于CPU長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行時(shí)序模擬，不能發(fā)揮出高速信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì)，故不適合本設(shè)計(jì)；Mege IP Core是Altera公司（或第三方）推出的可以實(shí)現(xiàn)特定功能的IP核，通過將它集成到SoPC系統(tǒng)中，可以快速構(gòu)成SPI接口，但利用此種方法只能完成基本的通信功能，不能實(shí)現(xiàn)更多的擴(kuò)展，故本設(shè)計(jì)不采用；自定義外設(shè)即定制基于Avalon的用戶外設(shè)，通過自行設(shè)計(jì)SPI硬件控制器，在實(shí)現(xiàn)通信功能的同時(shí)，使其具有采樣通道控制、FIFO緩沖以及DMA功能，使CPU不再參與通信操作，而利用DMA中斷進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的傳輸，可以極大的提高CPU利用率，故本設(shè)計(jì)采用此種方法。

本設(shè)計(jì)采用Verilog硬件描述語言對(duì)自定義的A/D采樣控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖2所示，控制器與Avalon總線通過data_bus、addr、pro_clk、WR、RD以及interrupt進(jìn)行通信，接受CPU的控制指令和回傳采樣數(shù)據(jù)；控制器與AD7329通過miso、mosi、sclk以及CS進(jìn)行通信，完成采集的控制和數(shù)據(jù)的傳輸。控制器設(shè)計(jì)好后利用SoPC Builder對(duì)其封裝成一個(gè)元件（也可稱之為IP核），而后可以像Altera提供的Mege IP Core外設(shè)一樣使用。

圖2 SPI原理圖

2 接口軟件實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)A/D采樣控制器的功能，除了硬件設(shè)計(jì)外，還需要開發(fā)相應(yīng)的硬件抽象層（HAL）驅(qū)動(dòng)程序。HAL可以看作是一個(gè)支持應(yīng)用程序開發(fā)的軟件平臺(tái)，它提供API函數(shù)接口，屏蔽硬件訪問細(xì)節(jié)，雖然占用了一些額外的資源，但大大增加了應(yīng)用程序的開發(fā)速度和可移植性。

驅(qū)動(dòng)開發(fā)的第一步就是創(chuàng)建一個(gè)用于描述設(shè)備寄存器的設(shè)備頭文件，在這個(gè)文件中應(yīng)用清晰易懂的宏符號(hào)描述出寄存器集合，并給出其訪問方法；第二步為創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)程序，即為應(yīng)用程序編寫API函數(shù)，用以完成控制器初始化、工作模式設(shè)定、SPI通信等功能；驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)完畢后，還需要把源程序文件放到約定的目錄下，并為它編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的Makefile文件，這樣，驅(qū)動(dòng)程序才能編譯到HAL系統(tǒng)庫中。下面列出了主要的API函數(shù)：

bool Init_SPI(void); //SPI控制器初始化，返回值為0表示成功，下同
bool Init_ad7329(void); //AD7329初始化
bool Set_ad7329_InputMode(unsigned int inputmode) ; //設(shè)置模擬輸入模式
bool Set_ad7329_PowerMode(unsigned int powermode); //設(shè)置輸入電源范圍
bool Set_ad7329_WorkMode(char workmode，char startchannl，char number);
//設(shè)置工作模式：即所選通道、通道自動(dòng)切換模式
int Set_ad7329_SampleStart(void); //開始采樣，返回值為采樣工作模式

3 仿真與測(cè)試

A/D采樣控制器是在Quartus Ⅱ 7.2 SP3環(huán)境下設(shè)計(jì)的，在完成時(shí)序仿真后采用modelsim 7.2中進(jìn)行功能仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。通過仿真結(jié)果可以看出，在CPU控制下，通過Avalon總線控制命令和數(shù)據(jù)傳遞給A/D采樣控制器并寫入到其內(nèi)部寄存器中，在控制命令的作用下，完成AD7329的初始化、輸入模式、輸入電壓范圍和采樣通道的選擇，并開始進(jìn)行采樣。在采樣數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)定數(shù)量時(shí)，interrupt變低，通知CPU啟動(dòng)DMA數(shù)據(jù)傳輸，而后，在DMA控制器的控制下，完成了數(shù)據(jù)的讀取。

圖3 SPI仿真時(shí)序圖

結(jié)論

本系統(tǒng)經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，可以對(duì)多種不同輸出范圍的模擬震動(dòng)傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，并且精度高、速度快。由于將采集得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到以太網(wǎng)上，故通過連接在網(wǎng)上的工作站可同時(shí)對(duì)多套信號(hào)采集設(shè)備進(jìn)行控制和記錄，大大提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。綜上可以看出，本系統(tǒng)非常適合在對(duì)采集速度和傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量要求較高的測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用。