基于ARM和FPGA的微加速度计数据采集系统设计

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                    　　摘要：基于常用的MEMS惯性器件微型加速度计，介绍一种采用ARM和FPGA架构来采集加速度数值的设计方案，微加速度计的模拟输出信号经A／D芯片转换后由FPGA进行处理和缓存，然后ARM接收FPGA的输出数据并对数据进行显示和存储．对如何用FPGA实现该数据采集系统的传输控制和数据缓存，以及FPGA与A／D转换芯片和ARM的接口设计给出了说明，实现了加速度数值的采集、传输、显示和存储，该方法配置灵活、通用性强，可以较好地移植到相关器件的数据采集系统中。
　　0 引言
　　加速度计是一种应用十分广泛的惯性传感器，它可以用来测量运动系统的加速度。目前的加速度计大多采用微机电技术(MEMS)进行设计和制造的微型加速度计，由于采用了微机电技术，其设计尺寸大大缩小，一个MEMS加速度计只有指甲盖的一小部分，MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。
　　随着微加速度计的应用越来越广泛，对于微加速度计的数据信号采集和存储变得极为重要。传统的数据采集方法多数是用单片机完成的，其编程简单、控制灵活，但缺点是控制周期长、速度慢，特别是对高速转换的数据来说，单片机的慢速度极大地限制了数据传输速度。而FPGA(现场可编程门阵列)具有单片机无法比拟的优势。FPGA时钟频率高，内部延时小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快、效率高，适于大数据量的高速传输控制。在高速数据采集方面，FPGA有单片机无法比拟的优势，然而单片机的接口丰富，数据处理能力强，便于完成数据的显示和存储等操作。
　　综合单片机与FPGA的优点，这里介绍一种基于ARM和FPGA的微加速度计数据采集存储系统，结合MXR6150G／M加速度计传感器和TLC0820-A／D转换芯片，提供了一种配置灵活、通用性强的数据采集方案。
　　1 系统整体设计方案
　　图1是数据采集系统的总体结构框图，该系统主要由双轴加速度计、A／D转换器、FPGA和ARM处理器四大部分组成。双轴加速度计输出两路模拟信号，分别代表z轴与y轴的加速度值，通过A／D转换芯片把输入的两路模拟信号转换为8位的数字信号，FPGA接收来自A／D转换芯片的数字信号，并对数字信号进行处理，处理后的数据经过FPGA中的FIFO存储器缓存后由ARM处理器采取中断方式接收采集，采集到的数据可以通过串口通信在PC机上实时显示，也可以通过IDE接口存储到大容量硬盘。






　　2．2 8位A／D转换芯片TLC0820
　　TLC0820是德州仪器公司(TI)推出的，采用先进LinCMOS工艺制造的A／D转换器，它由两个4位的闪速(FLASH)转换器，一个4位的数／模转换器，一个计算误差放大器，控制逻辑电路和结果锁存电路组成。它采用8位并行输出，并且不需要外部时钟和振荡元件，广泛应用于高速数据采集系统、工业控制和工厂自动化系统，其封装引脚如图3所示。引脚功能描述如下：ANLG IN为模拟输入；为片选，低有效；DO～D3，D4～D7为三态数据输出；为中断输出端，表示转换结束；MODE为方式选择输入；为溢出标志；为读输人端；REF-为参考电压下限值；REF+为参考电压上限值；VCC为电源电压；为写输入／读状态输出。






　　由A／D转换输出转换后的8位数字信号，可以从QuartusⅡ内置的逻辑分析仪中读取，图5为通过QuartusⅡ软件内置逻辑分析仪查看读取数据值的截图。从图5中可以看出在读写方式中，在WR／RDY的上升沿开始启动转换，到INT的下降沿转换完成，转换时间可通过时间标尺计算出来，为24×40=960 ns，之后就可以通过RD的上升沿开始读取转换后的数据到数据总线中，如图5中的XDD以及YDD。因为单片机的处理速度一般都低于A／D转换芯片的速度，故将XDD与YDD的数据存储到FPGA中的FIFO中，FIFO便起到数据缓冲的作用，以备接下来单片机对数据进行读取。






　　3．3 加速度数据显示和存储
　　由ARM系统采集到的数据可通过串口线发送到上位机进行实时显示，也可以通过模拟IDE通信协议储存到IDE硬盘中。LPC2210通过串口线与上位机进行通信主要是应用ARM芯片LPC2210中的通用异步接收／发送装置UART0，而使用LPC2210的通用可编程I／O口，可以模拟产生IDE硬盘的读写时序，实现对存储设备的读写操作。这样可以实现加速度数据的显示和存储。
　　4 结语
　　这里介绍一种MEMS器件微加速度计的数据采集设计方案，结合当前应用广泛的处理芯片ARM和FPGA，给出了一种配置灵活、通用性强的数据采集方案。实验中可准确采集美新加速度计MXR6150G／M的加速度信号，采集到的信号既可以在上位机实时显示，又可以存储在IDE接口硬盘中，达到了数据显示和存储的目的。（现代电子技术 作者：秦 奎，张卫平，陈文元 上海交通大学）