基于 SoPC 的震動(dòng)信號采集設備設計方法

在工程結構測試和分析中，震動(dòng)信號的采集是一項基礎性的工作，其采集的速度、精度和穩定度對測試的結果分析有重要的意義。震動(dòng)數據分析技術(shù)的不斷提高要求速度更快、精度更高、功能更強、成本更低的數據采集系統。AD7329恰好滿(mǎn)足這些要求，它集成了可編程輸入范圍切換矩陣、高精度基準源和高性能A/D轉換單元于一體，而Nios Ⅱ嵌入式軟核CPU具有數據吞吐率高、配置靈活、可升級性強等特點(diǎn)，是一款性?xún)r(jià)比很高的微控制器，結合兩者并通過(guò)高速SPI總線(xiàn)進(jìn)行通信，構成了高速、高精度震動(dòng)信號采集設備。

SoPC與Nios Ⅱ嵌入式系統簡(jiǎn)介

SoPC（System On Programmable Chip，可編程的片上系統）是Altera公司提出來(lái)的一種靈活、高效的SoC解決方案。它將處理器、存儲器、I/O口等系統設計需要的功能模塊集成到一個(gè)可編程器件上，構成一個(gè)可編程的片上系統。SoPC是PLD和ASIC技術(shù)融合的結果，可以認為SoPC代表了半導體產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向。

Nios Ⅱ系列32位RISC嵌入式處理器具有超過(guò)200DMIP的性能，在低成本FPGA中實(shí)現成本只有35美分。由于處理器是軟核形式，具有很大的靈活性，可以在多種系統設置組合中進(jìn)行選擇，滿(mǎn)足成本和功能要求。采用Nios Ⅱ處理器進(jìn)行設計，可以幫助用戶(hù)將產(chǎn)品迅速推向市場(chǎng)，延長(cháng)產(chǎn)品生命周期，防止出現處理器逐漸過(guò)時(shí)的情況。

AD7329模/數轉換器

AD7329是ADI公司推出的基于iCMOS(industrial CMOS)工藝的8通道12位精度1MSa/s采樣速度的逼近型模/數轉換器。iCMOS是一種結合了高電壓CMOS和低電壓CMOS的特殊工藝，使得高精度模擬器件操作電壓的范圍達到了33V，遠遠高于上一代器件所能承受的極限。由于采用了此種新的工藝，AD7329在實(shí)現雙極性輸入的同時(shí)提高了精度，并且減小了功耗和體積。

AD7329可以實(shí)現真正的雙極性輸入，并且具有4種可編程輸入范圍，即±10V,±5V,±2.5V和0～+10V，每個(gè)模擬輸入通道可以被獨立設置。同時(shí)模擬輸入通道也可配置成單端輸入模式、差分輸入模式以及偽差分模式。該器件內置了一個(gè)2.5V的基準源，同時(shí)也允許外部基準的輸入，在外部基準為3V時(shí)雙極性模擬輸入的范圍是±12V。該器件采用的是SPI高速串行接口，總線(xiàn)時(shí)鐘頻率可以穩定工作在20MHz，在給ADC提供時(shí)鐘的同時(shí)完成數據的傳輸。

系統原理與組成

系統組成框圖如圖1所示，包括Nios Ⅱ嵌入式處理器、Avalon總線(xiàn)、JTAG控制器和調試接口、SDRAM、DM9000A網(wǎng)絡(luò )接口以及AD7329采樣控制模塊。

圖1 系統結構框圖

在A(yíng)/D采樣控制器的控制下，AD7329采集得到的電壓信號通過(guò)SPI接口傳送到控制器的FIFO中，當數據量達到FIFO的75%時(shí)，控制器產(chǎn)生中斷，通知CPU讀取數據。CPU收到中斷后，啟動(dòng)DMA，將A/D采樣控制器FIFO中的數據傳送到以太網(wǎng)控制器的FIFO中，而后利用NicheStack協(xié)議棧采用UDP方式將數據發(fā)送到網(wǎng)上。JTAG控制器和調試接口用來(lái)軟硬件調試和系統軟硬件程序的配置。SDRAM用來(lái)運行軟件程序和提供FIFO的物理空間。