基于ARM和FPGA的高速高空数据采集系统的实现

随着人们对高空的兴趣发展和研究需要，越来越多的科学实验被科研人员搬到了空中进行，气球探空和无人机实验是比较典型的方法。这些科学实验往往需要在一定的实验条件到达时触发某特定实验现象，从而对发生时间非常短促且不具备可重复再现性的实验目标数据进行高速采集。日前，笔者参与的项目中需要完成的任务是：通过无线通信实现对高空实验设备进行控制，对整个实验过程进行实时观察分析(其中的实验条件数据通过GPS接收机，红外虚拟逻辑分析仪等设备实时采集)，待实验到达触发条件时，通过手动(或自动可选)的方法实施触发，再对触发后的实验目标数据进行采集并传回地面PC进行后续的分析处理。该项目采用ARM和FPGA分别作为主从处理器设计嵌入式采集系统，采用多通道A／D并行采样实验目标数据，系统通过基于串口的无线数传模块与地面实时通信。

1 系统硬件设计
系统的硬件结构原理图如图1所示。

在该系统设计方案中，ARM采用Samsung公司基于ARM920T的S3C2410，其主要技术指标如：支持32 b ARM指令集和16 b Thumb指令集；支持32 b的高速AMBA总线接口；带有MMU(内存管理单元)，可以进行Linux操作系统的移植；MPU支持实时操作系统；采用五级流水线和哈佛结构，独立的16 KB指令Cache和16 KB数据Cache，具有更高的指令和数据处理能力；支持TFT的LCD控制器、NAND闪存控制器、3路UART、4路带PWM的Timer、8路10位ADC、触摸屏接口、I2C总线接口，以及2个USB主设备接口和1个USB从设备接口等丰富的外围设备和接口。FPGA采用AItera公司StratixⅡ系列的EP2S15器件，EP2S15现场可编程门阵列系列速度快容量高，它采用1．2 V，90 nm全铜层SRAM工艺和创新的适应逻辑模块(ALM)结构，有最大化的性能，器件密度可达到15 600等效逻辑元(LE)，能提供419 Kb片内TriMatrix存储器，多达12个DSP区块有一体成型电感48(18 b×18 b)乘法器，用来实现高性能滤波器和其他DSP功能，支持各种高速外接存储器接口，支持各种标准的I／O，高速差分I／O，具有丰富的外部资源以及支持多种高性能标准。
在该系统中，ARM主要负责核心处理和控制，总线实现ARM与FPGA之间的通信，存储器负责程序和数据的存储，其中FLASH存储程序和文件，SDRAM存储系统运行时的程序和数据，ARM通过GPIO连接实验中的相关继电器、触发设备、输出电压控制设备、以及特定设备采样A／D并进行驱动，通过FPGA扩展RS 232串口分时控制和读取GPS接收机、红外虚拟逻辑分析仪等设备数据，通过总线连接电感器的检测FPGA并控制FPGA动作来启动和完成数据采集，通过RS232通信接口负责与地面PC的交互。本系统充分发挥了ARM芯片的强大处理能力和FPGA的高速并行能力，成功实现实验目的。
ARM和FPGA的总线接口如图2所示。

S3C2410通过读写总线上的地址来进行指令和数据的传输以控制EP2S15的所有动作。FPGA主要实现通过控制A／D实现数据采集，并保存至SDRAM，对ARM的读写信号进行译码以将实验目标数据读回ARM并传回地面。将EP2S15直接连在S3C2410的存储器总线上，S3C2410可一体电感以通过存储器指令访问EP2S15，ARM与FPGA之间的连接除了数据、地址和读写控制外，还有中断信号和DMA控制信号，使ARM可接受FPGA产生的中断和实现DMA数据传输。另外为了扩展S3C2410的串口，将串口连接到FPGA实现对多个设备的分时控制。

2 系统软件设计
系统的软件结构图如图3所示。

2．1 PC机控制程序
(1)通过自定义协议和无线数传模块，对贴片电感下位机发出各种命令控制实验的进行。
(2)对实时的实验条件数据进行相关处理和显示，以实现对实验运行情况实时监控。
(3)根据实验者要求，定义实验触发条件和方式，并在条件到达时发出警报。
(4)对实验目标数据进行采集和保存，待下一步实验分析使用。
2．2 下位机系统程序
下位机程序包括FPGA模块子程序和ARM主体控制程序。
FPGA模块程序又包括对ARM读写指令的译码，对A／D的驱动来采集实验目标数据，对SDRAM驱动以保存实验数据，对中断信号和DMA信号的支持，对串口的设备切换支持。1

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