基于A(yíng)RM和CPLD的高速數據采集系統設計

數據采集系統是通過(guò)采樣電路將輸入的模擬信號轉換成離散信號，并送入CPU、MCU或DSP進(jìn)行處理?，F在流行的基于PCI總線(xiàn)設計的采集卡是數據采集系統的主流，其優(yōu)點(diǎn)是可以利用PCI總線(xiàn)的研究成果快速的開(kāi)發(fā)系統軟件，整體運行速度快，能夠實(shí)現實(shí)時(shí)采集實(shí)時(shí)處理。但在一些工業(yè)測控現場(chǎng)檢測大型設備時(shí)，從現場(chǎng)到機房有一定的距離，模擬信號傳到安裝在PC內的PCI數據采集卡會(huì )有不同程度的衰減，且易受工業(yè)環(huán)境的干擾。而單純用由微控制器（MCU）為核心的數據采集系統時(shí)，把數據采集器置于被監測的設備處，雖然可以避免模擬信號的衰減和被干擾，但在這種數據采集系統中，A/D轉換器的啟動(dòng)、讀取數據并存入到存儲器的整個(gè)過(guò)程由MCU來(lái)參與控制，由于受MCU執行指令時(shí)間的限制，采集的速率較低，難以適應高速信號采集的需要。本文利用ARM微處理器和CPLD器件組成的現場(chǎng)數據采集系統，然后通過(guò)以太網(wǎng)接口于上位機相連，就可以有效解決上述問(wèn)題。

系統的設計方案
整個(gè)數據采集系統如圖1所示。數據采集系統首先對采集的信號進(jìn)行前端處理，如信號放大、濾波等預處理。采用的CPLD器件實(shí)現整個(gè)系統的控制邏輯，它控制著(zhù)采集通道的切換、A/D轉換的起/停、轉換后的數據存放在存儲單元的地址發(fā)生器、產(chǎn)生中斷請求以通知ARM讀取存放在存儲器中的數據，由ARM微處理器進(jìn)行快速的處理和傳輸。

圖1 數據采集系統框圖

1 信號調理模塊
在信號進(jìn)行數模轉換前，在保證被采集信號不失真的前提下，對輸入的信號進(jìn)行放大、濾波等預處理。高速數據采集系統的輸入信號通常為高頻信號，需要進(jìn)行阻抗匹配和前置放大，可以選用高速低噪聲信號前置放大器和信號變壓器。信號前置放大器的優(yōu)勢是：放大系數可變，信號輸入的動(dòng)態(tài)范圍大，還可以配置成有源濾波器。但放大器的最高工作頻率和工作寬帶必須滿(mǎn)足系統設計的需要，避免信號失真，同時(shí)應該考慮放大器引入的噪聲損失，為避免對A/D轉換器性能的不利影響，前置放大器的信噪比應遠大于A(yíng)/D轉換器的信噪比。當頻率遠遠大于100MHz時(shí)，盡可能采用信號變壓器，其性能指標（如最高工作頻率和工作帶寬）優(yōu)于信號放大器，而且信號失真很小，但信號放大系數固定，輸入信號的幅度受到限制。該設計中采用前置放大器,其前端的信號調理電路如圖2所示。

2 A/D轉換模塊
將連續信號轉換成離散信號進(jìn)而轉換成數字信號以適用于處理的重要芯片是A/D轉換器。一般的逐次逼進(jìn)型A/D轉換芯片的轉換速度最多在每秒鐘幾萬(wàn)次，不能滿(mǎn)足高速采樣的要求。該設計中選擇TI公司的TLC5540高速模數轉換芯片，其具有8位分辨率，內置采樣和保持電路，該芯片采用一種改進(jìn)的半閃結構、CMOS工藝制造，因而大大減少了器件中比較器的數量，而且在高速轉換的同時(shí)，能夠保持低功耗，轉換速率可達40Mb/s。

TLC5540以流水線(xiàn)的工作方式進(jìn)行工作，在每一個(gè)CLK周期均啟動(dòng)一次采樣，完成一次采樣，每次啟動(dòng)采樣是在CLK的下降沿進(jìn)行，第n次采樣的數據經(jīng)過(guò)3個(gè)時(shí)鐘周期的延遲之后，送到內部數據總線(xiàn)上，所以系統剛啟動(dòng)時(shí)讀取的3個(gè)數據是無(wú)效數據，在軟件設計時(shí)，必須拋棄系統啟動(dòng)時(shí)讀取的前3個(gè)數據。