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

摘要：基于常用的MEMS慣性器件微型加速度計，介紹一種采用ARM和FPGA架構(gòu)來采集加速度數(shù)值的設(shè)計方案，微加速度計的模擬輸出信號經(jīng)A／D芯片轉(zhuǎn)換后由FPGA進行處理和緩存，然后ARM接收FPGA的輸出數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行顯示和存儲．對如何用FPGA實現(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)計給出了說明，實現(xiàn)了加速度數(shù)值的采集、傳輸、顯示和存儲，該方法配置靈活、通用性強，可以較好地移植到相關(guān)器件的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；微加速度計；FPGA；ARM；TLC0820

0 引言
    加速度計是一種應(yīng)用十分廣泛的慣性傳感器，它可以用來測量運動系統(tǒng)的加速度。目前的加速度計大多采用微機電技術(shù)(MEMS)進行設(shè)計和制造的微型加速度計，由于采用了微機電技術(shù)，其設(shè)計尺寸大大縮小，一個MEMS加速度計只有指甲蓋的一小部分，MEMS加速度計具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點。
    隨著微加速度計的應(yīng)用越來越廣泛，對于微加速度計的數(shù)據(jù)信號采集和存儲變得極為重要。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法多數(shù)是用單片機完成的，其編程簡單、控制靈活，但缺點是控制周期長、速度慢，特別是對高速轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)來說，單片機的慢速度極大地限制了數(shù)據(jù)傳輸速度。而FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)具有單片機無法比擬的優(yōu)勢。FPGA時鐘頻率高，內(nèi)部延時小，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有單片機無法比擬的優(yōu)勢，然而單片機的接口豐富，數(shù)據(jù)處理能力強，便于完成數(shù)據(jù)的顯示和存儲等操作。
    綜合單片機與FPGA的優(yōu)點，這里介紹一種基于ARM和FPGA的微加速度計數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)，結(jié)合MXR6150G／M加速度計傳感器和TLC0820-A／D轉(zhuǎn)換芯片，提供了一種配置靈活、通用性強的數(shù)據(jù)采集方案。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案
    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、A／D轉(zhuǎn)換器、FPGA和ARM處理器四大部分組成。雙軸加速度計輸出兩路模擬信號，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轉(zhuǎn)換為8位的數(shù)字信號，F(xiàn)PGA接收來自A／D轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)字信號，并對數(shù)字信號進行處理，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA中的FIFO存儲器緩存后由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機上實時顯示，也可以通過IDE接口存儲到大容量硬盤。

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

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LinCMOS工藝制造的A／D轉(zhuǎn)換器，它由兩個4位的閃速(FLASH)轉(zhuǎn)換器，一個4位的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，一個計算誤差放大器，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實現(xiàn)，EP2C35提供多達33 216個邏輯單元(LE)，35個18×18位乘法器483 840 b的內(nèi)部RAM塊，專用外部存儲器接口電路，4個鎖相環(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，是基于一個支持實時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32位定時器、八路lO位ADC，PWM輸出以及多達九個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等。通過配置，LPC2210最多可提供76個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)整體實施方案
3．1 FPGA控制A／D芯片進行加速度計數(shù)據(jù)采集
    該加速度計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，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。當(dāng)為低時，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，轉(zhuǎn)換器為讀／寫方式，作為寫輸出端。當(dāng)和為低時，轉(zhuǎn)換器開始測量輸入信號，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。該實驗采用讀寫方式來控制A／D芯片來讀取加速度計的值，所需的控制信號由FPGA輸出，相關(guān)的邏輯控制采用Verilog硬件描述語言進行編寫，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，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的上升沿開始啟動轉(zhuǎn)換，到INT的下降沿轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換時間可通過時間標(biāo)尺計算出來，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。因為單片機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，以備接下來單片機對數(shù)據(jù)進行讀取。

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)采集的啟動和采集結(jié)束后對數(shù)據(jù)的顯示和存儲，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)，實際上是讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。FIFO的容量可以通過軟件進行設(shè)置，它有兩個狀態(tài)顯示信號，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單片機系統(tǒng)就可以發(fā)送RDFIFO信號來讀取FIFO中的數(shù)據(jù)輸出端口的數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO中的EMPTY信號從低電平變?yōu)楦唠娖?，表明FIFO中已無數(shù)據(jù)可讀，ARM單片機就開始等待ALFUL的跳變進行下一次的讀取。

3．3 加速度數(shù)據(jù)顯示和存儲
    由ARM系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)可通過串口線發(fā)送到上位機進行實時顯示，也可以通過模擬IDE通信協(xié)議儲存到IDE硬盤中。LPC2210通過串口線與上位機進行通信主要是應(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硬盤的讀寫時序，實現(xiàn)對存儲設(shè)備的讀寫操作。這樣可以實現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)的顯示和存儲。

4 結(jié)語
    這里介紹一種MEMS器件微加速度計的數(shù)據(jù)采集設(shè)計方案，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、通用性強的數(shù)據(jù)采集方案。實驗中可準(zhǔn)確采集美新加速度計MXR6150G／M的加速度信號，采集到的信號既可以在上位機實時顯示，又可以存儲在IDE接口硬盤中，達到了數(shù)據(jù)顯示和存儲的目的。