‌FPGA+ARM的数据采集系统设计

‌FPGA+ARM的数据采集系统是一种结合了FPGA和ARM处理器的数据采集方案，旨在利用两者的优势实现高效、高精度的数据采集和处理。‌

基本概念和原理

FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)具有高集成度、高可靠性和低功耗的特点，适合进行高速并行处理和实时控制。ARM(Advanced RISC Machines)处理器则以其强大的计算能力和灵活性著称，适合处理复杂的算法和系统管理任务。将FPGA和ARM结合，可以充分利用两者的优势，实现高效的数据采集和处理。

硬件配置和系统结构

FPGA+ARM的数据采集系统通常包括以下几个部分：

‌ARM控制器‌：负责系统的整体控制和数据处理。

‌FPGA逻辑控制电路‌：负责高速数据采集和实时处理。

‌A/D转换电路‌：将模拟信号转换为数字信号。

‌FIFO缓存‌：用于数据缓存，确保数据的连续采集和存储。

‌存储电路‌：用于存储采集到的数据。

‌接口电路‌：包括RS485/RS232或高速以太网等，用于数据传输‌12。

应用场景和优势

FPGA+ARM的数据采集系统广泛应用于各种需要高精度、实时数据处理的应用场景，如物探分析、地下勘探、地震波观测、频谱分析、电力调度系统等。其优势包括：

‌高精度和高速率的数据采集‌：FPGA的高并行处理能力确保了数据的快速采集和处理。

‌多参数同步测量‌：通过FPGA控制多个数据采集通道，实现多参数的同步测量。

‌实时处理和网络传输‌：ARM处理器负责数据处理和通过网络传输数据，支持10/100M以太网或CDMA/GPRS无线网络，实现高效的数据传输‌13。

随着计算机技术与现代工业系统的发展，工业领域中对数据采集的精度和数据处理的实时性提出了更加苛刻的要求，以保证后续更加复杂的控制，而传统的数据采集系统一般采用A/D 芯片与主控芯片搭配的方法，处理速度慢、功能单一，当被测对象复杂且数据量较大时，很难满足对数据高精度的采样，而通过RS232 串口与上位机通信则更无法保证数据处理的实时性。针对这一实际情况，设计了基于FPGA 与ARM 搭配的数据采集系统，FPGA 负责保证数据采样的高精度和高速度，而ARM 作为主控芯片，嵌入Linux 内核，负责控制整个系统，并将数据通过USB高速上传到上位机中，借助上位机的强大运算能力，保证数据处理的实时性，同时根据不同的被测信号只需选择相应的数据采集卡，即可方便简单地组成一个用户自定义的数据采集系统，具备良好的通用性。

1 系统总体设计

数据采集系统的总体结构如图1 所示，主要由输入调理电路、A/D 转换电路、FPGA 和ARM控制电路组成。被采集的模拟信号经由调理电路输入到A/D 转换芯片，进行模数转换，在FPGA的控制下送入到FPGA 内嵌的FIFO 存储模块中并通知ARM 立即取走数据，最后通过USB 交由上位机进行实时处理。

2 FPGA 系统设计

FPGA 具有高集成度、高可靠性、低功耗及时序控制精确等优点，选用Xilinx Spartan3 系列的XC3S200 负责控制A/D 转换及数据的缓存，可以简化电路设计，缩短开发周期。ARM 选用Atmel公司的SAM9G45 芯片，工作频率达400MHz，能够保证实时高速地控制采集系统和上传数据。

2.1 FPGA 与ADC 的连接与控制

数据采集芯片选用ADI 公司的AD7656，是一款六通道16 位逐次逼近型，低功耗，每路通道最大采集速度为250kS /s 的A/D 转换芯片，可实现较高的采样精度和速率。

FPGA 与AD7656 的连接如图2 所示，AD7656 的6 个采样通道被分为3 组，由CONV STA、CONV STB 和CONV STC 3 个信号启动对应的双通道同步采样，将该3 个引脚相连即可实现6个输入通道的同步采样，同时提供并行和串行接口两种模式，为了提高数据吞吐率，采用16 位( /B 引脚置低) 的并行接口( SER/引脚置低) 模式，以便与FPGA 的16 位数据线直接相连传输数据。

FPGA 中的A/D 控制模块通过将CONV ST引脚电平拉高，启动相应通道的采样，采样过程中BUSY 引脚为高电平，表示正在进行采样; 当采样完毕后，AD7656 自动将BUSY 置低; FPGA 中的A/D 控制模块检测到BUSY 信号为低后将CS 和RD 信号置低，读取并保存数据到FPGA 内部的FIFO 中。FPGA 对AD7656 的控制过程仿真如图3 所示。

市面上的FPGA开发板和ARM开发板很多，但是将两者结合起来完成数据采集与网络通讯的开发板很少。大多数的勘探、观测工作都是在严苛的环境中进行的，对数据的准确性、实时性都有着较高的要求，并且大多情况下要求多参数同步测量。飞旭公司在基于实际的工程项目成功的基础上，推出了基于ARM+FPGA的低功耗、高速率、高精度、多通道同步数据采集方案，可以通过监测者的要求完成多通道数据的同步采集并实现实时的网络传输。

基于ARM+FPGA的高速同步数据采集方案，解决了数据采集的同步性问题，与以往的数据采集方案相比，具有高精度、高速率、多参数同步测量、实时处理、网络传输不受区域限制等特点。

主要应用于物探分析领域、天然气、石油等地下勘探领域、观测技术领域(地震波、频谱分析)、电力调度系统等行业。

1)通过系统接口直接与采集终端通讯，完成工业现场的多通道模拟量、开关量的数据采集与A/D转换，实现对数据采集终端的控制;

2)系统设有FIFO缓存模块，支持信号的长时间连续采集存储;

3)支持采集数据的移动存储，可对采集数据通过存储卡进行存取;

4)支持10/100M以太网或CDMA/GPRS无线网络，可以实现高效率的网络数据传输。

高速同步数据采集系统主要包括以下几个部分：ARM控制器、存储电路、FPGA逻辑控制电路、A/D转换电路、FIFO缓存、电源电路、接口电路等。

系统具备多通道数据采集接口，FPGA逻辑电路控制A/D采集和FIFO缓存模块，实现长时间不间断的数据采集与数据转换;同时系统具有丰富的外围控制接口和通信接口，可以实现数据的存储、显示，完成RS485/RS232或高速以太网络的数据传输。