基于 SoPC 的震動信號采集設(shè)備設(shè)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(chǔ)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(qiáng)、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(zhǔn)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(qiáng)等特點(diǎn)，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(jìn)行通信，構(gòu)成了高速、高精度震動信號采集設(shè)備。

SoPC與Nios Ⅱ嵌入式系統(tǒng)簡介
SoPC（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(shè)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(rèn)為SoPC代表了半導(dǎo)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(shè)置組合中進(jìn)行選擇，滿足成本和功能要求。采用Nios Ⅱ處理器進(jìn)行設(shè)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(dá)到了33V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dú)立設(shè)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(zhǔn)源，同時也允許外部基準(zhǔn)的輸入，在外部基準(zhǔn)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(luò)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(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)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(yùn)行軟件程序和提供FIFO的物理空間。

AD7329與Nios Ⅱ接口的設(shè)計
1 接口硬件設(shè)計
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接口的時序從而完成通信，其特點(diǎn)是設(shè)計簡單、使用方便，但是由于CPU長時間進(jìn)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(shè)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(kuò)展，故本設(shè)計不采用；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(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)計采用此種方法。

本設(shè)計采用Verilog硬件描述語言對自定義的A/D采樣控制器進(jìn)行設(shè)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(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?？刂破髟O(shè)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(shè)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(shè)計外，還需要開發(fā)相應(yīng)的硬件抽象層（HAL）驅(qū)動程序。HAL可以看作是一個支持應(yīng)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(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)動開發(fā)的第一步就是創(chuàng)建一個用于描述設(shè)備寄存器的設(shè)備頭文件，在這個文件中應(yīng)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(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(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(shè)計的，在完成時序仿真后采用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，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(jìn)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(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)非常適合在對采集速度和傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量要求較高的測試領(lǐng)域應(yīng)用。