用FIFO實(shí)現(xiàn)超聲測厚系統(tǒng)A/D與ARM接口設(shè)計(jì)

在高頻超聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，很多高速 A／D轉(zhuǎn)換器往往不能直接與處理器相連接，這時(shí)就需要使用FIFO在處理器與A／D轉(zhuǎn)換器之間架一座橋梁，F(xiàn)IFO的先入先出特性可以方便緩存大量的數(shù)據(jù)塊。在基于ARM的超聲波測厚系統(tǒng)中，所用為1 MHz以上的高頻超聲波探頭，測量數(shù)據(jù)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后頻率與ARM處理器的數(shù)據(jù)接收能力不匹配，因此需在A／D與ARM處理之間連接一個(gè)FIFO來解決以上問題。該設(shè)計(jì)選用AD公司的A／D芯片AD9283，F(xiàn)IFO選用Cyperss公司的CY7C4261，兩者的最大采樣頻率都是100 MHz。ARM采用SAMSUNG公司的S3C2410處理器。三者都具有很強(qiáng)的外部接口能力，方便構(gòu)成無縫連接，硬件接口電路簡單，調(diào)試方便。

1 芯片選型

1．1 S3C2410處理器

S3C2410處理器是SAMSUNG公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用0．18μm制造工藝的32位微控制器。該處理器擁有：獨(dú)立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)CACHE，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的 Timer，I／O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，I2C-BUS接口，IIS-BUS接口，2個(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB設(shè)備，SD主機(jī)和MMC接口，2路SPI。S3C2410是 16／32位RISC體系結(jié)構(gòu)處理器，使用ARM920T CPU核的強(qiáng)大指令集，處理器最高可運(yùn)行在203 MHz。

1．2 AD9283高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器

在超聲波無損檢測系統(tǒng)中，超聲波探頭的頻率一般是2～10 MHz。取探頭頻率為5 MHz，根據(jù)采樣定理，采樣頻率最好是探頭頻率的5～8倍，因此A／D芯片選用AD公司的AD9283，它的最大采樣速率達(dá)100 MHz，可以滿足系統(tǒng)要求。

1．3 FIFO存儲器CY7C4261

FIFO存儲器作為A／D與ARM之間的橋梁，其參數(shù)指標(biāo)直接影響數(shù)據(jù)的采集速度。首先，F(xiàn)IFO存儲器的讀／寫速度要足夠快，為方便調(diào)試，最好能和A／D器件的最大速度相一致；其次，F(xiàn)IFO存儲器的存儲容量要適宜，如果容量過大會造成資源浪費(fèi)，如果容量過小會造成溢出或者數(shù)據(jù)采集速度過慢。

常用被測物厚度為10 mm，當(dāng)信號長度取前8個(gè)波峰，整個(gè)系統(tǒng)工作在極限頻率100 MHz的情況下，有如下計(jì)算：

采樣次數(shù)=采樣速率×?xí)r間

=采樣速率×(2×厚度×8／超聲波速度)

=100×2×0．01×8／5 900

=2 712次

即需要將近3 KB的緩存。該超聲波測厚系統(tǒng)最大需測量厚度50 mm的物體，故需要容量15 K×8 B的FIFO。因此FIFO的深度要大于15 KB；寬度大于A／D的位數(shù)，即大于8位；最大工作速率100 MHz，與A／D采樣速率相一致。該設(shè)計(jì)選用CY公司的FIFO存儲器CY7C4261，其最大采樣速率達(dá)100 MHz，與AD9283最大采樣速率相同；容量為16 KB×9 B，可以滿足數(shù)據(jù)量要求。

2 接口設(shè)計(jì)

AD9283是8位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，CY7C4261是9位FIFO，S3C2410的數(shù)據(jù)總線是32位。CY7C4261只需接S3C2410的低 8位DO～D7。由于FIFO的先入先出結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中不需要任何地址線的參與，大大簡化了電路。A／D采樣所得數(shù)據(jù)要實(shí)時(shí)送入FIFO，兩者的寫時(shí)鐘頻率必須一樣，且AD9283和CY7C4261的最小時(shí)鐘輸入都是10 ns，操作起來統(tǒng)一方便。74ALS08是四-二輸入與門，把ARM的脈寬調(diào)制波輸出口中的TOUTl(GPBl)，TOUT2(GPB2)配置為通用輸出口，對74ALS08的通斷進(jìn)行控制，從而對A／D和FIFO的寫時(shí)鐘進(jìn)行控制。S3C2410的CLKOUTO與CY7C4261的RCLK相連為 FIFO提供讀時(shí)鐘。CY7C4261的全滿標(biāo)志位FF與S3C2410的外部中斷EINTl相連用以觸發(fā)外部中斷。S3C2410的nRSTOUTl與 CY7C4261的RS相連用以復(fù)位FIFO。接口框圖如圖1所示。

3 時(shí)序設(shè)計(jì)

通過兩個(gè)與門分別對A／D和FIFO的寫時(shí)鐘進(jìn)行控制。因?yàn)锳D9283從模擬輸入開始到該次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在輸出口上需要4個(gè)時(shí)鐘周期，并且在高速度采樣時(shí)導(dǎo)線的延時(shí)效果會非常明顯，若把A／D和FIFO的時(shí)鐘連在一起，很可能過多地采到無效數(shù)據(jù)。分開控制以后，通過軟件延時(shí)，可以方便地分別對 A／D和FIFO的時(shí)鐘進(jìn)行控制。調(diào)試起來相當(dāng)方便，力圖把采到無效數(shù)據(jù)的位數(shù)減至最低。AD9283的工作時(shí)序如圖2所示，CY7C4621寫時(shí)序圖如圖3所示。