基于 SoPC 的震動信號采集設備設計
在工程結(jié)構(gòu)測試和分析中,震動信號的采集是一項基礎性的工作,其采集的速度、精度和穩(wěn)定度對測試的結(jié)果分析有重要的意義。震動數(shù)據(jù)分析技術(shù)的不斷提高要求速度更快、精度更高、功能更強、成本更低的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AD7329恰好滿足這些要求,它集成了可編程輸入范圍切換矩陣、高精度基準源和高性能A/D轉(zhuǎn)換單元于一體,而Nios Ⅱ嵌入式軟核CPU具有數(shù)據(jù)吞吐率高、配置靈活、可升級性強等特點,是一款性價比很高的微控制器,結(jié)合兩者并通過高速SPI總線進行通信,構(gòu)成了高速、高精度震動信號采集設備。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/103961.htmSoPC(System On Programmable Chip,可編程的片上系統(tǒng))是Altera公司提出來的一種靈活、高效的SoC解決方案。它將處理器、存儲器、I/O口等系統(tǒng)設計需要的功能模塊集成到一個可編程器件上,構(gòu)成一個可編程的片上系統(tǒng)。SoPC是PLD和ASIC技術(shù)融合的結(jié)果,可以認為SoPC代表了半導體產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向。
Nios Ⅱ系列32位RISC嵌入式處理器具有超過200DMIP的性能,在低成本FPGA中實現(xiàn)成本只有35美分。由于處理器是軟核形式,具有很大的靈活性,可以在多種系統(tǒng)設置組合中進行選擇,滿足成本和功能要求。采用Nios Ⅱ處理器進行設計,可以幫助用戶將產(chǎn)品迅速推向市場,延長產(chǎn)品生命周期,防止出現(xiàn)處理器逐漸過時的情況。
AD7329模/數(shù)轉(zhuǎn)換器
AD7329是ADI公司推出的基于iCMOS(industrial CMOS)工藝的8通道12位精度1MSa/s采樣速度的逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。iCMOS是一種結(jié)合了高電壓CMOS和低電壓CMOS的特殊工藝,使得高精度模擬器件操作電壓的范圍達到了33V,遠遠高于上一代器件所能承受的極限。由于采用了此種新的工藝,AD7329在實現(xiàn)雙極性輸入的同時提高了精度,并且減小了功耗和體積。
AD7329可以實現(xiàn)真正的雙極性輸入,并且具有4種可編程輸入范圍,即±10V,±5V,±2.5V和0~+10V,每個模擬輸入通道可以被獨立設置。同時模擬輸入通道也可配置成單端輸入模式、差分輸入模式以及偽差分模式。該器件內(nèi)置了一個2.5V的基準源,同時也允許外部基準的輸入,在外部基準為3V時雙極性模擬輸入的范圍是±12V。該器件采用的是SPI高速串行接口,總線時鐘頻率可以穩(wěn)定工作在20MHz,在給ADC提供時鐘的同時完成數(shù)據(jù)的傳輸。
系統(tǒng)原理與組成
系統(tǒng)組成框圖如圖1所示,包括Nios Ⅱ嵌入式處理器、Avalon總線、JTAG控制器和調(diào)試接口、SDRAM、DM9000A網(wǎng)絡接口以及AD7329采樣控制模塊。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
在A/D采樣控制器的控制下,AD7329采集得到的電壓信號通過SPI接口傳送到控制器的FIFO中,當數(shù)據(jù)量達到FIFO的75%時,控制器產(chǎn)生中斷,通知CPU讀取數(shù)據(jù)。CPU收到中斷后,啟動DMA,將A/D采樣控制器FIFO中的數(shù)據(jù)傳送到以太網(wǎng)控制器的FIFO中,而后利用NicheStack協(xié)議棧采用UDP方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)上。JTAG控制器和調(diào)試接口用來軟硬件調(diào)試和系統(tǒng)軟硬件程序的配置。SDRAM用來運行軟件程序和提供FIFO的物理空間。
AD7329與Nios Ⅱ接口的設計
1 接口硬件設計
SPI(Serial Peripheral Interface)即串行外圍設備接口是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接口的時序從而完成通信,其特點是設計簡單、使用方便,但是由于CPU長時間進行時序模擬,不能發(fā)揮出高速信號處理的優(yōu)勢,故不適合本設計;Mege IP Core是Altera公司(或第三方)推出的可以實現(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,不能實現(xiàn)更多的擴展,故本設計不采用;自定義外設即定制基于Avalon的用戶外設,通過自行設計SPI硬件控制器,在實現(xiàn)通信功能的同時,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中斷進行采樣數(shù)據(jù)的傳輸,可以極大的提高CPU利用率,故本設計采用此種方法。
本設計采用Verilog硬件描述語言對自定義的A/D采樣控制器進行設計。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進行通信,完成采集的控制和數(shù)據(jù)的傳輸??刂破髟O計好后利用SoPC Builder對其封裝成一個元件(也可稱之為IP核),而后可以像Altera提供的Mege IP Core外設一樣使用。
圖2 SPI原理圖
2 接口軟件實現(xiàn)
為了實現(xiàn)A/D采樣控制器的功能,除了硬件設計外,還需要開發(fā)相應的硬件抽象層(HAL)驅(qū)動程序。HAL可以看作是一個支持應用程序開發(fā)的軟件平臺,它提供API函數(shù)接口,屏蔽硬件訪問細節(jié),雖然占用了一些額外的資源,但大大增加了應用程序的開發(fā)速度和可移植性。
驅(qū)動開發(fā)的第一步就是創(chuàng)建一個用于描述設備寄存器的設備頭文件,在這個文件中應用清晰易懂的宏符號描述出寄存器集合,并給出其訪問方法;第二步為創(chuàng)建驅(qū)動程序,即為應用程序編寫API函數(shù),用以完成控制器初始化、工作模式設定、SPI通信等功能;驅(qū)動程序開發(fā)完畢后,還需要把源程序文件放到約定的目錄下,并為它編寫一個簡單的Makefile文件,這樣,驅(qū)動程序才能編譯到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) ; //設置模擬輸入模式
bool Set_ad7329_PowerMode(unsigned int powermode); //設置輸入電源范圍
bool Set_ad7329_WorkMode(char workmode,char startchannl,char number);
//設置工作模式:即所選通道、通道自動切換模式
int Set_ad7329_SampleStart(void); //開始采樣,返回值為采樣工作模式
3 仿真與測試
A/D采樣控制器是在Quartus Ⅱ 7.2 SP3環(huán)境下設計的,在完成時序仿真后采用modelsim 7.2中進行功能仿真,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,并開始進行采樣。在采樣數(shù)據(jù)達到預定數(shù)量時,interrupt變低,通知CPU啟動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仿真時序圖
結(jié)論
本系統(tǒng)經(jīng)多次實驗室測試,可以對多種不同輸出范圍的模擬震動傳感器進行信號采集,并且精度高、速度快。由于將采集得到的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到以太網(wǎng)上,故通過連接在網(wǎng)上的工作站可同時對多套信號采集設備進行控制和記錄,大大提高了系統(tǒng)的可擴展性。綜上可以看出,本系統(tǒng)非常適合在對采集速度和傳感器節(jié)點數(shù)量要求較高的測試領域應用。
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