基于ARM+FPGA的食用花生油質(zhì)量快速 檢測儀的設(shè)計

食用油種類有很多種，各類食用油的檢測方法不盡相同。以花生油質(zhì)量檢測為例，由花生油的特殊物理性質(zhì)可知，花生油在0～5℃時開始結(jié)晶[1,2]，其他種類的食用油都不是在這個溫度下結(jié)晶，利用這一特殊物理性質(zhì)，在花生油結(jié)晶狀態(tài)條件下對其進行吸光度測量，花生油在不同溫度的結(jié)晶度信息是不一樣的，所以需要一個恒定的溫度環(huán)境來確保測量精度。本文給出了一種基于ARM+FPGA的便攜式免化學(xué)試劑且環(huán)境友好型花生油質(zhì)量快速檢測儀的設(shè)計方案。
1儀器工作原理與方案設(shè)計
食用油質(zhì)量現(xiàn)場快速檢測儀是利用信號采集模塊檢測樣品油的吸光度，因為吸光度與樣品油的物質(zhì)成分有關(guān)，通過吸光度可以了解樣品油的純度。
1.1工作原理
通過ARM處理器模糊PID計算，調(diào)整FPGA產(chǎn)生占空比可調(diào)的脈寬調(diào)制信號PWM，驅(qū)動熱電制冷器實現(xiàn)恒溫控制，儀器工作原理如圖1所示。信號采集模塊由單色LED光源和光頻轉(zhuǎn)換器TSL230B組成，TSL230B根據(jù)透射光強的不同，輸出頻率不同的脈沖信號（或方波信號）。因為透射光強與吸光度有關(guān)，FPGA讀取信號采集模塊輸入不同的脈沖信號的頻率，獲得吸光度的信息，F(xiàn)PGA再把吸光度的信息傳送給ARM控制器數(shù)據(jù)處理，計算出花生油樣品純度信息并在顯示器上顯示。

1.2 方案設(shè)計
ARM控制器具有信息處理能力強和高集成度的特點，現(xiàn)在很多智能儀器都是以ARM為核心的控制系統(tǒng)，但隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，智能儀器的功能越來越多，控制過程設(shè)計的信息也越來越多，以ARM為核心的控制系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足要求。而FPGA包含有大量實現(xiàn)組合邏輯的資源，可以完成較大規(guī)模的組合邏輯電路設(shè)計。與此同時，它還包含有相當數(shù)量的觸發(fā)器，借助這些觸發(fā)器，F(xiàn)PGA又能完成復(fù)雜的時序邏輯功能[11]。ARM與FPGA 的綜合設(shè)計主要有以下優(yōu)點：
　(1)可以大幅減少外部器件的使用量。
　(2)可以應(yīng)用于各種場合，例如過程控制。
　(3)控制對象比較多，使用一片ARM芯片與一片F(xiàn)PGA芯片使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、靈活。
　(4)可以使整個系統(tǒng)設(shè)計變得功能分明、結(jié)構(gòu)緊湊、時序容易控制等。
　根據(jù)系統(tǒng)需要的功能,設(shè)計了結(jié)構(gòu)的總體框架圖，如圖2所示。通過鍵盤按鍵發(fā)送控制信息，檢測需要在溫度恒定的情況下完成，所以需要一個恒溫設(shè)備（熱電制冷器和溫度傳感器DS18B20組成）提供穩(wěn)定的檢測環(huán)境，光源用的是紅光LED燈，紅光照射到盛裝食用油的比色皿上，在光的透射方向上放一個光電檢測模塊（光頻轉(zhuǎn)換器TSL230B），把光電檢測模塊的數(shù)據(jù)傳送到CPU（ARM芯片+FPGA芯片組成），經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后送到LCD顯示。

2 系統(tǒng)功能模塊劃分
在ARM與FPGA 的綜合設(shè)計中，需要系統(tǒng)、合理地劃分其功能，劃分的原則是面向任務(wù)。本系統(tǒng)設(shè)計中，ARM作為核心器件，采用16 bit數(shù)據(jù)通信，F(xiàn)PGA作為ARM的擴展外設(shè)備和協(xié)處理器。
由系統(tǒng)的工作原理可知，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)需求，整個系統(tǒng)的功能劃分如圖3所示。

ARM功能模塊功能如下：
(1)UART0：接RS232串行接口，與計算機上的專用測控軟件連接，相互進行數(shù)據(jù)通信。
(2)通信模塊0： 與FPGA進行串行數(shù)據(jù)通信，給FPGA發(fā)送控制指令和數(shù)據(jù)，并接收FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù)。
(3)I/O：連接LCD顯示器，顯示輸出信息；連接鍵盤按鍵，對系統(tǒng)發(fā)送控制信號；連接外部數(shù)字信號，本系統(tǒng)讀取的是溫度傳感器DS18B20的數(shù)據(jù)。
FPGA功能模塊功能如下：
(1)通信模塊2：與ARM進行串行數(shù)據(jù)通信，接收ARM發(fā)送的控制指令和數(shù)據(jù)，并向ARM發(fā)送數(shù)據(jù)。
(2)通用邏輯：實現(xiàn)存儲器控制功能。
(3)PWM：實現(xiàn)占空比可調(diào)的PWM輸出。
(4)計數(shù)器：對外部脈沖量頻率或方波頻率檢測。
(5)通信模塊1：接RS232串行通信接口，與一些外部設(shè)備連接，進行數(shù)據(jù)通信。
(6)其他擴展：用于一些備用功能的擴展，當需要增加一些功能時，不需要改變硬件就可以實現(xiàn)。
3 電路設(shè)計
3.1主控核心電路設(shè)計
ARM芯片S3C44B0X和FPGA芯片EP2C5T114C8是系統(tǒng)的核心器件，由于時鐘頻率不同，所以它們之間采用異步串行數(shù)據(jù)通信。
3.2電源電路設(shè)計
在整個系統(tǒng)設(shè)計中，系統(tǒng)各個部分對電源要求不一樣，電源設(shè)計非常重要，涉及到電源分配方案選擇、電源管理與監(jiān)控及電源功耗三個方面的內(nèi)容。在整個系統(tǒng)中，ARM和FPGA電壓配置如表1所示。系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)換成的電壓有5 V、3.3 V、2.5 V和1.2 V。
　所用電壓轉(zhuǎn)化芯片分別為AMS1117-5、AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2。
　在本系統(tǒng)中,首先用電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-5把外部直流電源的9 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V直流電壓,電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4(a)所示,再用電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2把5 V直流電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V、2.5 V 和1.2 V直流電壓，轉(zhuǎn)換電路如圖4(b)所示。

3.3下載配置電路設(shè)計
　　S3C44B0X下載配置支持的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO。其中TCK為測試時鐘輸入；TDI為測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測試模式選擇，用于設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測試模式；nTRST為測試復(fù)位，輸入引腳低電平有效[4] ，如圖5(a)所示。

EP2C5T144C8支持JTAG接口和主動串行ASP接口下載配置，在具體設(shè)計中，可先用JTAG方式調(diào)試程序，當程序調(diào)試無誤后，再使用主動串行ASP方式把程序固化到配置芯片。如圖5（b）所示，JTAG為下載插座；E1為配置芯片EPCSISI8；ASP為主動串行ASP下載插座，供固化程序到配置芯片使用。
3.4 存儲系統(tǒng)電路設(shè)計
　S3C44B0X的存儲系統(tǒng)具有以下主要特性：ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4 GB(232 B)，ARM體系結(jié)構(gòu)將存儲器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合，從零字節(jié)到第3字節(jié)放置第1個存儲的字數(shù)據(jù)，從第4個字節(jié)到第7個字節(jié)放置第2個存儲的字數(shù)據(jù)，依次排列；有8個存儲體，訪問大小均可進行改變(8 bit/16 bit/32 bit)，每個存儲體可達32 MB,總共可達256 MB，Bank0～Bank5可支持ROM、SRAM存儲器，Bank6～Bank7可支持ROM、SRAM和FP/ED0/SDRAM存儲器；有小端格式和大端格式兩種方式存儲字數(shù)據(jù)，可以通過外部引腳選擇存儲方式，在小端存儲格式中，低地址中存放字數(shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放字數(shù)據(jù)的高字節(jié)，大端格式低地址中存放字數(shù)據(jù)的高字節(jié)，高地址存放字數(shù)據(jù)的低字節(jié)[4]，F(xiàn)lash和SDRAM存儲器電路如圖6所示。