基于A(yíng)RM+FPGA的食用花生油質(zhì)量快速檢測儀的設計

采用ARM＋FPGA結構給出一種高性能的便攜式食用花生油質(zhì)量快速分析儀的設計。將可編程片上系統應用到儀器開(kāi)發(fā)中，簡(jiǎn)化系統硬件電路，提高系統設計靈活性。充分利用ARM芯片的高效控制功能結合FPGA靈活的多硬件接口模擬特性，便于攜帶，適合現場(chǎng)免化學(xué)試劑快速檢測。

食用油種類(lèi)有很多種，各類(lèi)食用油的檢測方法不盡相同。以花生油質(zhì)量檢測為例，由花生油的特殊物理性質(zhì)可知，花生油在0～5℃時(shí)開(kāi)始結晶[1,2]，其他種類(lèi)的食用油都不是在這個(gè)溫度下結晶，利用這一特殊物理性質(zhì)，在花生油結晶狀態(tài)條件下對其進(jìn)行吸光度測量，花生油在不同溫度的結晶度信息是不一樣的，所以需要一個(gè)恒定的溫度環(huán)境來(lái)確保測量精度。本文給出了一種基于ARM+FPGA的便攜式免化學(xué)試劑且環(huán)境友好型花生油質(zhì)量快速檢測儀的設計方案。

1 儀器工作原理與方案設計

食用油質(zhì)量現場(chǎng)快速檢測儀是利用信號采集模塊檢測樣品油的吸光度，因為吸光度與樣品油的物質(zhì)成分有關(guān)，通過(guò)吸光度可以了解樣品油的純度。

1.1工作原理

通過(guò)ARM處理器模糊PID計算，調整FPGA產(chǎn)生占空比可調的脈寬調制信號PWM，驅動(dòng)熱電制冷器實(shí)現恒溫控制，儀器工作原理。信號采集模塊由單色LED光源和光頻轉換器TSL230B組成，TSL230B根據透射光強的不同，輸出頻率不同的脈沖信號（或方波信號）。因為透射光強與吸光度有關(guān)，FPGA讀取信號采集模塊輸入不同的脈沖信號的頻率，獲得吸光度的信息，FPGA再把吸光度的信息傳送給ARM控制器數據處理，計算出花生油樣品純度信息并在顯示器上顯示。

1.2 方案設計

ARM控制器具有信息處理能力強和高集成度的特點(diǎn)，現在很多智能儀器都是以ARM為核心的控制系統，但隨著(zhù)檢測技術(shù)的發(fā)展，智能儀器的功能越來(lái)越多，控制過(guò)程設計的信息也越來(lái)越多，以ARM為核心的控制系統已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足要求。而FPGA包含有大量實(shí)現組合邏輯的資源，可以完成較大規模的組合邏輯電路設計。與此同時(shí)，它還包含有相當數量的觸發(fā)器，借助這些觸發(fā)器，FPGA又能完成復雜的時(shí)序邏輯功能[11]。ARM與FPGA 的綜合設計主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以大幅減少外部器件的使用量。

（2）可以應用于各種場(chǎng)合，例如過(guò)程控制。

（3）控制對象比較多，使用一片ARM芯片與一片FPGA芯片使系統結構簡(jiǎn)潔、靈活。

（4）可以使整個(gè)系統設計變得功能分明、結構緊湊、時(shí)序容易控制等。

根據系統需要的功能，設計了結構的總體框架圖，如圖2所示。通過(guò)鍵盤(pán)按鍵發(fā)送控制信息，檢測需要在溫度恒定的情況下完成，所以需要一個(gè)恒溫設備（熱電制冷器和溫度傳感器DS18B20組成）提供穩定的檢測環(huán)境，光源用的是紅光LED燈，紅光照射到盛裝食用油的比色皿上，在光的透射方向上放一個(gè)光電檢測模塊（光頻轉換器TSL230B），把光電檢測模塊的數據傳送到CPU（ARM芯片+FPGA芯片組成），經(jīng)過(guò)數據處理后送到LCD顯示。

2 系統功能模塊劃分

在A(yíng)RM與FPGA 的綜合設計中，需要系統、合理地劃分其功能，劃分的原則是面向任務(wù)。本系統設計中，ARM作為核心器件，采用16 bit數據通信，FPGA作為ARM的擴展外設備和協(xié)處理器。

ARM功能模塊功能如下：

（1）UART0：接RS232串行接口，與計算機上的專(zhuān)用測控軟件連接，相互進(jìn)行數據通信。

（2）通信模塊0： 與FPGA進(jìn)行串行數據通信，給FPGA發(fā)送控制指令和數據，并接收FPGA發(fā)送的數據。

（3）I/O：連接LCD顯示器，顯示輸出信息；連接鍵盤(pán)按鍵，對系統發(fā)送控制信號；連接外部數字信號，本系統讀取的是溫度傳感器DS18B20的數據。

FPGA功能模塊功能如下：

（1）通信模塊2：與ARM進(jìn)行串行數據通信，接收ARM發(fā)送的控制指令和數據，并向ARM發(fā)送數據。

（2）通用邏輯：實(shí)現存儲器控制功能。

（3）PWM：實(shí)現占空比可調的PWM輸出。

（4）計數器：對外部脈沖量頻率或方波頻率檢測。

（5）通信模塊1：接RS232串行通信接口，與一些外部設備連接，進(jìn)行數據通信。

（6）其他擴展：用于一些備用功能的擴展，當需要增加一些功能時(shí)，不需要改變硬件就可以實(shí)現。

3 電路設計

3.1主控核心電路設計

ARM芯片S3C44B0X和FPGA芯片EP2C5T114C8是系統的核心器件，由于時(shí)鐘頻率不同，所以它們之間采用異步串行數據通信。

3.2電源電路設計

在整個(gè)系統設計中，系統各個(gè)部分對電源要求不一樣，電源設計非常重要，涉及到電源分配方案選擇、電源管理與監控及電源功耗三個(gè)方面的內容。在整個(gè)系統中，ARM和FPGA電壓配置如表1所示。系統需要轉換成的電壓有5 V、3.3 V、2.5 V和1.2 V。

所用電壓轉化芯片分別為AMS1117-5、AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2。

在本系統中，首先用電壓轉換芯片AMS1117-5把外部直流電源的9 V電壓轉換成5 V直流電壓，電壓轉換電路如圖4（a）所示，再用電壓轉換芯片AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2把5 V直流電壓轉換成3.3 V、2.5 V 和1.2 V直流電壓。

3.3下載配置電路設計

S3C44B0X下載配置支持的JTAG接口是4線(xiàn)：TMS、TCK、TDI、TDO。其中TCK為測試時(shí)鐘輸入；TDI為測試數據輸入，數據通過(guò)TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測試數據輸出，數據通過(guò)TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測試模式選擇，用于設置JTAG接口處于某種特定的測試模式；nTRST為測試復位，輸入引腳低電平有效[4] 。

EP2C5T144C8支持JTAG接口和主動(dòng)串行ASP接口下載配置，在具體設計中，可先用JTAG方式調試程序，當程序調試無(wú)誤后，再使用主動(dòng)串行ASP方式把程序固化到配置芯片。如圖5（b）所示，JTAG為下載插座；E1為配置芯片EPCSISI8；ASP為主動(dòng)串行ASP下載插座，供固化程序到配置芯片使用。

3.4 存儲系統電路設計

S3C44B0X的存儲系統具有以下主要特性：ARM體系結構所支持的最大尋址空間為4 GB（232 B），ARM體系結構將存儲器看作是從零地址開(kāi)始的字節的線(xiàn)性組合，從零字節到第3字節放置第1個(gè)存儲的字數據，從第4個(gè)字節到第7個(gè)字節放置第2個(gè)存儲的字數據，依次排列；有8個(gè)存儲體，訪(fǎng)問(wèn)大小均可進(jìn)行改變（8 bit/16 bit/32 bit），每個(gè)存儲體可達32 MB,總共可達256 MB，Bank0～Bank5可支持ROM、SRAM存儲器，Bank6～Bank7可支持ROM、SRAM和FP/ED0/SDRAM存儲器；有小端格式和大端格式兩種方式存儲字數據，可以通過(guò)外部引腳選擇存儲方式，在小端存儲格式中，低地址中存放字數據的低字節，高地址存放字數據的高字節，大端格式低地址中存放字數據的高字節，高地址存放字數據的低字節[4]。

3.5 按鍵電路設計

控制按鍵使用了4個(gè)按鍵（溫度控制、量程控制、檢測、顯示），按鍵接口電路如圖7所示。用到的4個(gè)接口分別對應S3C44B0X的中斷接口ExINT4，ExINT5,ExINT6，ExINT7。從電路圖上可以看到，中斷接口通過(guò)上拉電阻被接到VDD，VDD是+3.3 V電壓，始終保持著(zhù)高電平。而當有按鍵被按下時(shí)，直接接地，置成低電平引發(fā)中斷。

S3C44B0X內置LCD控制器具有很強的通用性，支持單色、灰度、彩色LCD屏， 通過(guò)編程可以支持不同的LCD顯示器；通過(guò)處理器內部相關(guān)控制字就能分別設置屏幕尺寸、電平極性、接口時(shí)序、數據線(xiàn)寬度和刷新頻率等參數；支持很多種不同規格和工作方式的STN （supertwisted nematic）液晶顯示器；還支持4位雙掃、4位單掃、8位單掃3種掃描方式的顯示方式[4]。圖9所示是LCD顯示器的外接接口電路，通過(guò)數據線(xiàn)可以與LCD顯示器連接使用。

4 PCB圖設計

系統使用大量的芯片，加上S3C44B0X芯片、EP2C5T144C8芯片、SST39VF160芯片、K4S641632芯片的引腳數很多，考慮制板尺寸和加工成本，有些貼片電子器件放在電路板背面，系統采用4層PCB設計。根據PCB設計規則，在設計中注意把電源線(xiàn)和接地線(xiàn)加粗減小系統環(huán)路電阻，去耦電容盡量與電源直接連接，數字電路和模擬電路布局盡量分開(kāi)以減小系統干擾等，提高電子線(xiàn)路的工作穩定性[7]。

提出了食用花生油快速檢測儀的設計方案，運用吸光光度法檢測花生油的質(zhì)量，這種檢測方法區別于傳統的化學(xué)試劑檢測方法，使得儀器使用簡(jiǎn)單，不需要專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行操作，有利于儀器推廣使用。運用ARM與FPGA綜合設計， ARM芯片的控制功能結合FPGA靈活的多硬件接口模擬特性對任務(wù)處理變得更加靈活高效，使得儀器電路結構簡(jiǎn)單，成本低。