基于SoPC的震动信号采集设备设计

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在工程结构测试和分析中，震动信号的采集是一项基础性的工作，其采集的速度、精度和稳定度对测试的结果分析有重要的意义。震动数据分析技术的不断提高要求速度更快、精度更高、功能更强、成本更低的数据采集系统。AD7329恰好满足这些要求，它集成了可编程输入范围切换矩阵、高精度基准源和高性能A/D转换单元于一体，而Nios Ⅱ嵌入式软核CPU具有数据吞吐率高、配置灵活、可升级性强等特点，是一款性价比很高的微控制器，结合两者并通过高速SPI总线进行通信，构成了高速、高精度震动信号采集设备。
　　SoPC与Nios Ⅱ嵌入式系统简介
　　SoPC（System On Programmable Chip，可编程的片上系统）是Altera公司提出来的一种灵活、高效的SoC解决方案。它将处理器、存储器、I/O口等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。SoPC是PLD和ASIC技术融合的结果，可以认为SoPC代表了半导体产业未来的发展方向。
　　Nios Ⅱ系列32位RISC嵌入式处理器具有超过200DMIP的性能，在低成本FPGA中实现成本只有35美分。由于处理器是软核形式，具有很大的灵活性，可以在多种系统设置组合中进行选择，满足成本和功能要求。采用Nios Ⅱ处理器进行设计，可以帮助用户将产品迅速推向市场，延长产品生命周期，防止出现处理器逐渐过时的情况。
　　AD7329模/数转换器
　　AD7329是ADI公司推出的基于iCMOS(industrial CMOS)工艺的8通道12位精度1MSa/s采样速度的逼近型模/数转换器。iCMOS是一种结合了高电压CMOS和低电压CMOS的特殊工艺，使得高精度模拟器件操作电压的范围达到了33V，远远高于上一代器件所能承受的极限。由于采用了此种新的工艺，AD7329在实现双极性输入的同时提高了精度，并且减小了功耗和体积。
　　AD7329可以实现真正的双极性输入，并且具有4种可编程输入范围，即±10V,±5V,±2.5V和0～+10V，每个模拟输入通道可以被独立设置。同时模拟输入通道也可配置成单端输入模式、差分输入模式以及伪差分模式。该器件内置了一个2.5V的基准源，同时也允许外部基准的输入，在外部基准为3V时双极性模拟输入的范围是±12V。该器件采用的是SPI高速串行接口，总线时钟频率可以稳定工作在20MHz，在给ADC提供时钟的同时完成数据的传输。
　　系统原理与组成
　　系统组成框图如图1所示，包括Nios Ⅱ嵌入式处理器、Avalon总线、JTAG控制器和调试接口、SDRAM、DM9000A网络接口以及AD7329采样控制模块。
  

图1 系统结构框图
　　在A/D采样控制器的控制下，AD7329采集得到的电压信号通过SPI接口传送到控制器的FIFO中，当数据量达到FIFO的75%时，控制器产生中断，通知CPU读取数据。CPU收到中断后，启动DMA，将A/D采样控制器FIFO中的数据传送到以太网控制器的FIFO中，而后利用NicheStack协议栈采用UDP方式将数据发送到网上。JTAG控制器和调试接口用来软硬件调试和系统软硬件程序的配置。SDRAM用来运行软件程序和提供FIFO的物理空间。
　　AD7329与Nios Ⅱ接口的设计
　　1 接口硬件设计
　　SPI（Serial Peripheral Interface）即串行外围设备接口是Motorola公司推出的一种同步串行接口。SPI总线是一种4线同步总线，占用较少的I/O资源。Nios Ⅱ与外界SPI接口通信可采用软件控制I/O、Mege IP Core以及自定义外设等方法。
　　软件控制I/O是利用CPU执行程序来模拟SPI接口的时序从而完成通信，其特点是设计简单、使用方便，但是由于CPU长时间进行时序模拟，不能发挥出高速信号处理的优势，故不适合本设计；Mege IP Core是Altera公司（或第三方）推出的可以实现特定功能的IP核，通过将它集成到SoPC系统中，可以快速构成SPI接口，但利用此种方法只能完成基本的通信功能，不能实现更多的扩展，故本设计不采用；自定义外设即定制基于Avalon的用户外设，通过自行设计SPI硬件控制器，在实现通信功能的同时，使其具有采样通道控制、FIFO缓冲以及DMA功能，使CPU不再参与通信操作，而利用DMA中断进行采样数据的传输，可以极大的提高CPU利用率，故本设计采用此种方法。
　　本设计采用Verilog硬件描述语言对自定义的A/D采样控制器进行设计。如图2所示，控制器与Avalon总线通过data_bus、addr、pro_clk、WR、RD以及interrupt进行通信，接受CPU的控制指令和回传采样数据；控制器与AD7329通过miso、mosi、sclk以及CS进行通信，完成采集的控制和数据的传输。控制器设计好后利用SoPC Builder对其封装成一个元件（也可称之为IP核），而后可以像Altera提供的Mege IP Core外设一样使用。
  
  

图2 SPI原理图
　　2 接口软件实现
　　为了实现A/D采样控制器的功能，除了硬件设计外，还需要开发相应的硬件抽象层（HAL）驱动程序。HAL可以看作是一个支持应用程序开发的软件平台，它提供API函数接口，屏蔽硬件访问细节，虽然占用了一些额外的资源，但大大增加了应用程序的开发速度和可移植性。
　　驱动开发的第一步就是创建一个用于描述设备寄存器的设备头文件，在这个文件中应用清晰易懂的宏符号描述出寄存器集合，并给出其访问方法；第二步为创建驱动程序，即为应用程序编写API函数，用以完成控制器初始化、工作模式设定、SPI通信等功能；驱动程序开发完毕后，还需要把源程序文件放到约定的目录下，并为它编写一个简单的Makefile文件，这样，驱动程序才能编译到HAL系统库中。下面列出了主要的API函数：
　　bool Init_SPI(void);  //SPI控制器初始化，返回值为0表示成功，下同
　　bool Init_AD7329(void); //AD7329初始化
　　bool Set_ad7329_InputMode(unsigned int inputmode) ; //设置模拟输入模式
　　bool Set_ad7329_PowerMode(unsigned int powermode); //设置输入电源范围
　　bool Set_ad7329_WorkMode(char workmode，char startchannl，char number);
　　//设置工作模式：即所选通道、通道自动切换模式
　　int Set_ad7329_SampleStart(void); //开始采样，返回值为采样工作模式
　　3 仿真与测试
　　A/D采样控制器是在Quartus Ⅱ 7.2 SP3环境下设计的，在完成时序仿真后采用modelsim 7.2中进行功能仿真，仿真结果如图3所示。通过仿真结果可以看出，在CPU控制下，通过Avalon总线控制命令和数据传递给A/D采样控制器并写入到其内部寄存器中，在控制命令的作用下，完成AD7329的初始化、输入模式、输入电压范围和采样通道的选择，并开始进行采样。在采样数据达到预定数量时，interrupt变低，通知CPU启动DMA数据传输，而后，在DMA控制器的控制下，完成了数据的读取。
  

图3 SPI仿真时序图
　　结论
　　本系统经多次实验室测试，可以对多种不同输出范围的模拟震动传感器进行信号采集，并且精度高、速度快。由于将采集得到的数据实时发送到以太网上，故通过连接在网上的工作站可同时对多套信号采集设备进行控制和记录，大大提高了系统的可扩展性。综上可以看出，本系统非常适合在对采集速度和传感器节点数量要求较高的测试领域应用。