基于A(yíng)RM和CPLD的可重構檢測系統設計

引言
檢測系統的可重構設計是檢測技術(shù)的發(fā)展方向。可重構設計是指利用可重用的軟硬件資源，根據不同的應用需求，靈活地改變自身體系結構的設計方法。對于檢測系統而言，可重構可以分為軟件可重構和硬件可重構。采用硬件可重構技術(shù)設計的檢測系統具有硬件普適性，通過(guò)更換各個(gè)硬件模塊或配置不同的軟件代碼，即可實(shí)現不同功能的檢測，從而減少硬件和軟件開(kāi)發(fā)上的投入、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。
本文提出了一種基于ARM嵌入式微處理器和復雜可編程邏輯器件( CPLD) 的檢測系統硬件可重構設計方法。這種結構檢測系統既具有ARM微控制器體積小、集成度高、運算速度快、存儲器容量大、功耗低等特點(diǎn); 又具有CPLD強大的高速邏輯處理能力和方便靈活的動(dòng)態(tài)可重構性，將兩者結合起來(lái)使用能克服傳統檢測儀器的不足, 可將許多復雜的實(shí)時(shí)控制算法硬件化，減輕了MCU的負擔，減少邏輯控制芯片的使用, 具有可靠性強、可重用性好性?xún)r(jià)比高突出優(yōu)點(diǎn)。
1檢測系統的結構
本文設計的可重構檢測系統采用ARM芯片為主控制器, CPLD芯片為協(xié)處理器配合主控制器工作的結構。
1.1檢測系統的總體硬件結構
該控制器的硬件結構如圖1所示, ARM芯片的外圍電路包括復位電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、存儲模塊、海量數據存儲模塊、通訊模塊、LCD接口電路和觸摸屏接口電路,。其中存儲模塊由SDRAM和NOR型FLASH 組成，SDRAM 作為ARM 的內存、存放操作系統和應用程序運行的動(dòng)態(tài)數據, FLASH 存儲操作系統鏡像文件及一些常量參數；海量存儲模塊提供了IDE/CF卡接口，可以直接接入硬盤(pán)和CF卡作為采樣數據的海量存儲介質(zhì)；通訊模塊由RS- 232、USB2.0及以太網(wǎng)接口組成，可根據實(shí)際情況選擇其中一種方式作為通訊接口。CPLD提供模數轉換電路控制單元( ADC) 、可編程脈沖產(chǎn)生電路 、采樣數據自存儲邏輯控制單元、數字量輸入輸出電路( DI/DO) 、光電編碼器輸入電路和PWM 波輸出電路。ARM與CPLD之間通過(guò)并行總線(xiàn)相連。

圖1 基于A(yíng)RM9+CPLD可重構檢測系統框圖
在上述結構中, 可將CPLD視作ARM的一個(gè)高速外設，ARM通過(guò)CPLD 間接地操作某些外圍器件，充分利用CPLD 的高速邏輯處理能力對整個(gè)檢測過(guò)程實(shí)現實(shí)時(shí)控制, ARM只需負責檢測參數的設定和控制檢測過(guò)程的開(kāi)始及結束，提高了控制器的實(shí)時(shí)性，增強了控制器對外設的兼容性和擴展性。
以上系統設計中，我們不僅實(shí)現了硬件原理設計上的模塊化，可以根據實(shí)際需要將各個(gè)模塊替換成合適的芯片，實(shí)現系統的可重構性。在檢測儀器的生產(chǎn)、維修和升級等實(shí)踐中，我們發(fā)現將不同模塊設計成單板形式，然后通過(guò)約定的接口連接起來(lái)，方便系統的升級和產(chǎn)品的系列化，也給儀器的維修帶來(lái)很大便利，同時(shí)便于隔離各個(gè)模塊的相互干擾，提高了系統的抗干擾和穩定性。但是對于一個(gè)高速系統，這樣的設計必然會(huì )帶來(lái)信號完整性問(wèn)題。我們將在后面重點(diǎn)介紹這個(gè)問(wèn)題的解決方案。
1.2接口設計
由于A(yíng)RM與CPLD的總線(xiàn)接口設計是否合理將直接影響著(zhù)控制器的性能和系統的可重構特性，所以并行總線(xiàn)的設計就成為一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題，該總線(xiàn)包括ARM芯片的地址總線(xiàn)(AB[0..23]) 、數據總線(xiàn)(DB[0..15]) 、控制總線(xiàn)、復位信號以及多路可編程I/O，這樣做的好處是，將CPLD芯片存儲器化，即ARM可通過(guò)對特定地址和I/O口的訪(fǎng)問(wèn)來(lái)控制CPLD工作, 并且可通過(guò)共同的復位信號將ARM與CPLD 芯片同時(shí)復位, 盡量避免總線(xiàn)競爭和冒險現象的出現，CPLD還可通過(guò)可編程I/O向ARM發(fā)出中斷請求，等待ARM對特定事件的處理。這種接口不僅保留了ARM控制平臺和CPLD外接單元的獨立性，而且接口的通用性也非常好，一般的控制平臺和邏輯控制芯片都適用這種接口，這樣我們可以根據不同需求，組建合適的系統。
同樣CPLD板上的外部接口設計也很重要，直接決定系統可實(shí)現的功能和適用程度，我們在CPLD板上留出了４路ADC控制接口，包括采樣同步時(shí)鐘信號、采樣數據傳輸線(xiàn)和多路擴展I/O，可以實(shí)現４路ＡＤ同時(shí)采樣，自動(dòng)存儲，并記錄采集的起始位置和采樣長(cháng)度，也可以完成對程控放大器、濾波器的控制?？紤]到一個(gè)系列不同容量的采樣存儲芯片SRAM一般都會(huì )保持引腳的兼容，我們將SRAM設計在CPLD板上，增加系統的穩定性。預留的其它接口我們都盡量保證它的通用性，并在結構設計上考慮各個(gè)模塊的連接和安裝。
2應用實(shí)例
超聲檢測是無(wú)損檢測的重要方法之一，廣泛應用于對鋼板、鍛件、焊縫、混凝土、人造石墨等進(jìn)行探傷檢驗。近年來(lái)，超聲檢測理論和方法都已取得較大進(jìn)展，但是實(shí)踐中無(wú)論在儀器硬件的實(shí)現還是軟件的更新上都還存在很多未突破的關(guān)鍵技術(shù)。筆者采用以上系統設計了一款一發(fā)雙收聲波檢測儀，其檢測控制單元位于CPLD 芯片中，ARM芯片通過(guò)對CPLD進(jìn)行存儲器訪(fǎng)問(wèn)即可完成對整個(gè)檢測過(guò)程的控制。