基于ARM和FPGA的微加速度計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　摘要：基于常用的MEMS慣性器件微型加速度計(jì)，介紹一種采用ARM和FPGA架構(gòu)來采集加速度數(shù)值的設(shè)計(jì)方案，微加速度計(jì)的模擬輸出信號(hào)經(jīng)A／D芯片轉(zhuǎn)換后由FPGA進(jìn)行處理和緩存，然后ARM接收FPGA的輸出數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)．對(duì)如何用FPGA實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳輸控制和數(shù)據(jù)緩存，以及FPGA與A／D轉(zhuǎn)換芯片和ARM的接口設(shè)計(jì)給出了說明，實(shí)現(xiàn)了加速度數(shù)值的采集、傳輸、顯示和存儲(chǔ)，該方法配置靈活、通用性強(qiáng)，可以較好地移植到相關(guān)器件的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

　　0 引言

　　加速度計(jì)是一種應(yīng)用十分廣泛的慣性傳感器，它可以用來測(cè)量運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的加速度。目前的加速度計(jì)大多采用微機(jī)電技術(shù)（MEMS）進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的微型加速度計(jì)，由于采用了微機(jī)電技術(shù)，其設(shè)計(jì)尺寸大大縮小，一個(gè)MEMS加速度計(jì)只有指甲蓋的一小部分，MEMS加速度計(jì)具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

　　隨著微加速度計(jì)的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)于微加速度計(jì)的數(shù)據(jù)信號(hào)采集和存儲(chǔ)變得極為重要。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法多數(shù)是用單片機(jī)完成的，其編程簡(jiǎn)單、控制靈活，但缺點(diǎn)是控制周期長(zhǎng)、速度慢，特別是對(duì)高速轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)來說，單片機(jī)的慢速度極大地限制了數(shù)據(jù)傳輸速度。而FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）具有單片機(jī)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。FPGA時(shí)鐘頻率高，內(nèi)部延時(shí)小，全部控制邏輯由硬件完成，速度快、效率高，適于大數(shù)據(jù)量的高速傳輸控制。在高速數(shù)據(jù)采集方面，F(xiàn)PGA有單片機(jī)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，然而單片機(jī)的接口豐富，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，便于完成數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)等操作。

　　綜合單片機(jī)與FPGA的優(yōu)點(diǎn)，這里介紹一種基于ARM和FPGA的微加速度計(jì)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，結(jié)合MXR6150G／M加速度計(jì)傳感器和TLC0820-A／D轉(zhuǎn)換芯片，提供了一種配置靈活、通用性強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集方案。

　　1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

　　圖1是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)主要由雙軸加速度計(jì)、A／D轉(zhuǎn)換器、FPGA和ARM處理器四大部分組成。雙軸加速度計(jì)輸出兩路模擬信號(hào)，分別代表z軸與y軸的加速度值，通過A／D轉(zhuǎn)換芯片把輸入的兩路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為8位的數(shù)字信號(hào)，F(xiàn)PGA接收來自A／D轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)字信號(hào)，并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA中的FIFO存儲(chǔ)器緩存后由ARM處理器采取中斷方式接收采集，采集到的數(shù)據(jù)可以通過串口通信在PC機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，也可以通過IDE接口存儲(chǔ)到大容量硬盤。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2．1 MXR6150G／M加速度計(jì)傳感器

　　MXR6150G／M是無錫美新半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的雙軸加速度計(jì)傳感器，它采用標(biāo)準(zhǔn)的亞微米CMOS工藝制造，可以測(cè)量從-5g～+5g（g為重力加速度）范圍內(nèi)的加速度信號(hào)，該加速度計(jì)是利用兩路模擬電壓反映加速度值的大小，當(dāng)加速度計(jì)靜止，加速度值為0時(shí)輸出電壓為1．50 V，電壓輸出靈敏度為150 mV／g。圖2為此加速度計(jì)的外觀頂視圖，表1為加速度計(jì)的引腳描述，其中引腳7和引腳6分別輸出x軸和y軸的加速度分量。實(shí)際加速度的值需要將x軸與y軸加速度的值進(jìn)行合成得到，這可利用FPGA的并行計(jì)算處理來完成。

　　2．2 8位A／D轉(zhuǎn)換芯片TLC0820

　　TLC0820是德州儀器公司（TI）推出的，采用先進(jìn)LinCMOS工藝制造的A／D轉(zhuǎn)換器，它由兩個(gè)4位的閃速（FLASH）轉(zhuǎn)換器，一個(gè)4位的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，一個(gè)計(jì)算誤差放大器，控制邏輯電路和結(jié)果鎖存電路組成。它采用8位并行輸出，并且不需要外部時(shí)鐘和振蕩元件，廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工業(yè)控制和工廠自動(dòng)化系統(tǒng)，其封裝引腳如圖3所示。引腳功能描述如下：ANLG IN為模擬輸入；為片選，低有效；DO～D3，D4～D7為三態(tài)數(shù)據(jù)輸出；為中斷輸出端，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；MODE為方式選擇輸入；為溢出標(biāo)志；為讀輸人端；REF-為參考電壓下限值；REF+為參考電壓上限值；VCC為電源電壓；為寫輸入／讀狀態(tài)輸出。

　　2．3 Altera-FPGA與ARM處理器

　　該系統(tǒng)的FPGA采用Altera FPGA公司的CycloneⅡ系列的EP2C35實(shí)現(xiàn)，EP2C35提供多達(dá)33 216個(gè)邏輯單元（LE），35個(gè)18×18位乘法器483 840 b的內(nèi)部RAM塊，專用外部存儲(chǔ)器接口電路，4個(gè)鎖相環(huán)（PLL）和高速差分I／O等功能。

　　該系統(tǒng)中采用的ARM處理器是Philips公司的LPC2210，是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器。 LPC2210的144腳封裝、極低的功耗、兩個(gè)32位定時(shí)器、八路lO位ADC，PWM輸出以及多達(dá)九個(gè)外部中斷使其特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和電子收款機(jī)等。通過配置，LPC2210最多可提供76個(gè)GPIO。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，其也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及其他各種類型的應(yīng)用。

　　3 采集系統(tǒng)整體實(shí)施方案

　　3．1 FPGA控制A／D芯片進(jìn)行加速度計(jì)數(shù)據(jù)采集

　　該加速度計(jì)是利用兩路模擬電壓輸出來反映加速度值的大小，當(dāng)加速度值為O時(shí)輸出電壓為1．50 V，電壓輸出靈敏度為150 mV／g，A／D轉(zhuǎn)換器模擬輸入電壓范圍為VCC±0．1 V，低于VREF- +（1／2）LSB或高于VREF+ -（1／2）LSB的模擬輸入電壓分別轉(zhuǎn)換為00000000或1111111，系統(tǒng)中所加電壓分別為VCC=VREF+=5 V，VREF-=GND=O V。TLC0820可通過MODE的設(shè)置工作在只讀和讀寫兩種方式。當(dāng)MODE為低時(shí)，轉(zhuǎn)換器為只讀方式。在這種方式中，作為輸出，且作為準(zhǔn)備輸出端；同時(shí)。當(dāng)為低時(shí)，亦為低，表明器件忙，轉(zhuǎn)換器在的下降沿開始轉(zhuǎn)換，經(jīng)過不到2．5μs轉(zhuǎn)換完成，此時(shí)下降．為高阻，數(shù)據(jù)輸出也由高阻變?yōu)橛行У臄?shù)據(jù)端，當(dāng)數(shù)據(jù)讀出后，變高，返回高，數(shù)據(jù)輸出端返回到高阻態(tài)。當(dāng)MODE為高時(shí)，轉(zhuǎn)換器為讀／寫方式，作為寫輸出端。當(dāng)和為低時(shí)，轉(zhuǎn)換器開始測(cè)量輸入信號(hào)，大約600 ns后返回高，轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換，在讀寫方式中，在上升沿開始轉(zhuǎn)換。該實(shí)驗(yàn)采用讀寫方式來控制A／D芯片來讀取加速度計(jì)的值，所需的控制信號(hào)由FPGA輸出，相關(guān)的邏輯控制采用Verilog硬件描述語言進(jìn)行編寫，圖4為QuartusⅡ中FPGA連接A／D芯片與ARM系統(tǒng)的頂層模塊圖。

　　由A／D轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)換后的8位數(shù)字信號(hào)，可以從QuartusⅡ內(nèi)置的邏輯分析儀中讀取，圖5為通過QuartusⅡ軟件內(nèi)置邏輯分析儀查看讀取數(shù)據(jù)值的截圖。從圖5中可以看出在讀寫方式中，在WR／RDY的上升沿開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，到INT的下降沿轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換時(shí)間可通過時(shí)間標(biāo)尺計(jì)算出來，為24×40=960 ns，之后就可以通過RD的上升沿開始讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線中，如圖5中的XDD以及YDD。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的處理速度一般都低于A／D轉(zhuǎn)換芯片的速度，故將XDD與YDD的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FPGA中的FIFO中，F(xiàn)IFO便起到數(shù)據(jù)緩沖的作用，以備接下來單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。

　　3．2 ARM系統(tǒng)接收FPGA數(shù)據(jù)

　　圖6為FPGA與ARM相連接部分的傳輸接口框圖。ARM系統(tǒng)主要控制數(shù)據(jù)采集的啟動(dòng)和采集結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)，在數(shù)據(jù)采集的過程中，ARM處理器系統(tǒng)讀取FPGA中的數(shù)據(jù)，實(shí)際上是讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。FIFO的容量可以通過軟件進(jìn)行設(shè)置，它有兩個(gè)狀態(tài)顯示信號(hào)，分別為ALFUL和EMPTY，ALFUL是指FIFO接近滿，當(dāng)ALFUL從低電平變?yōu)楦唠娖胶?，ARM單片機(jī)系統(tǒng)就可以發(fā)送RDFIFO信號(hào)來讀取FIFO中的數(shù)據(jù)輸出端口的數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO中的EMPTY信號(hào)從低電平變?yōu)楦唠娖剑砻鱂IFO中已無數(shù)據(jù)可讀，ARM單片機(jī)就開始等待ALFUL的跳變進(jìn)行下一次的讀取。

　　3．3 加速度數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)

　　由ARM系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)可通過串口線發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，也可以通過模擬IDE通信協(xié)議儲(chǔ)存到IDE硬盤中。LPC2210通過串口線與上位機(jī)進(jìn)行通信主要是應(yīng)用ARM芯片LPC2210中的通用異步接收／發(fā)送裝置UART0，而使用LPC2210的通用可編程I／O口，可以模擬產(chǎn)生IDE硬盤的讀寫時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的讀寫操作。這樣可以實(shí)現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。

　　4 結(jié)語

　　這里介紹一種MEMS器件微加速度計(jì)的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)方案，結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用廣泛的處理芯片ARM和FPGA，給出了一種配置靈活、通用性強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集方案。實(shí)驗(yàn)中可準(zhǔn)確采集美新加速度計(jì)MXR6150G／M的加速度信號(hào)，采集到的信號(hào)既可以在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，又可以存儲(chǔ)在IDE接口硬盤中，達(dá)到了數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)的目的。（