用FIFO实现超声测厚系统A/D与ARM接口设计

在高频超声波数据采集系统中，很多高速 A／D转换器往往不能直接与处理器相连接，这时就需要使用FIFO在处理器与A／D转换器之间架一座桥梁，FIFO的先入先出特性可以方便缓存大量的数据块。在基于ARM的超声波测厚系统中，所用为1 MHz以上的高频超声波探头，测量数据经A／D转换后频率与ARM处理器的数据接收能力不匹配，因此需在A／D与ARM处理之间连接一个FIFO来解决以上问题。该设计选用AD公司的A／D芯片AD9283，FIFO选用Cyperss公司的CY7C4261，两者的最大采样频率都是100 MHz。ARM采用SAMSUNG公司的S3C2410处理器。三者都具有很强的外部接口能力，方便构成无缝连接，硬件接口电路简单，调试方便。

1 芯片选型

1．1 S3C2410处理器

S3C2410处理器是SAMSUNG公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，采用0．18μm制造工艺的32位微控制器。该处理器拥有：独立的16 KB指令Cache和16 KB数据CACHE，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，4路带PWM的 Timer，I／O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，I2C-BUS接口，IIS-BUS接口，2个USB主机，1个USB设备，SD主机和MMC接口，2路SPI。S3C2410是 16／32位RISC体系结构处理器，使用ARM920T CPU核的强大指令集，处理器最高可运行在203 MHz。

1．2 AD9283高速模数转换器

在超声波无损检测系统中，超声波探头的频率一般是2～10 MHz。取探头频率为5 MHz，根据采样定理，采样频率最好是探头频率的5～8倍，因此A／D芯片选用AD公司的AD9283，它的最大采样速率达100 MHz，可以满足系统要求。

1．3 FIFO存储器CY7C4261

FIFO存储器作为A／D与ARM之间的桥梁，其参数指标直接影响数据的采集速度。首先，FIFO存储器的读／写速度要足够快，为方便调试，最好能和A／D器件的最大速度相一致；其次，FIFO存储器的存储容量要适宜，如果容量过大会造成资源浪费，如果容量过小会造成溢出或者数据采集速度过慢。

常用被测物厚度为10 mm，当信号长度取前8个波峰，整个系统工作在极限频率100 MHz的情况下，有如下计算：

采样次数=采样速率×时间

=采样速率×(2×厚度×8／超声波速度)

=100×2×0．01×8／5 900

=2 712次

即需要将近3 KB的缓存。该超声波测厚系统最大需测量厚度50 mm的物体，故需要容量15 K×8 B的FIFO。因此FIFO的深度要大于15 KB；宽度大于A／D的位数，即大于8位；最大工作速率100 MHz，与A／D采样速率相一致。该设计选用CY公司的FIFO存储器CY7C4261，其最大采样速率达100 MHz，与AD9283最大采样速率相同；容量为16 KB×9 B，可以满足数据量要求。

2 接口设计

AD9283是8位模／数转换器，CY7C4261是9位FIFO，S3C2410的数据总线是32位。CY7C4261只需接S3C2410的低 8位DO～D7。由于FIFO的先入先出结构，系统中不需要任何地址线的参与，大大简化了电路。A／D采样所得数据要实时送入FIFO，两者的写时钟频率必须一样，且AD9283和CY7C4261的最小时钟输入都是10 ns，操作起来统一方便。74ALS08是四-二输入与门，把ARM的脉宽调制波输出口中的TOUTl(GPBl)，TOUT2(GPB2)配置为通用输出口，对74ALS08的通断进行控制，从而对A／D和FIFO的写时钟进行控制。S3C2410的CLKOUTO与CY7C4261的RCLK相连为 FIFO提供读时钟。CY7C4261的全满标志位FF与S3C2410的外部中断EINTl相连用以触发外部中断。S3C2410的nRSTOUTl与 CY7C4261的RS相连用以复位FIFO。接口框图如图1所示。

3 时序设计

通过两个与门分别对A／D和FIFO的写时钟进行控制。因为AD9283从模拟输入开始到该次转换的数据出现在输出口上需要4个时钟周期，并且在高速度采样时导线的延时效果会非常明显，若把A／D和FIFO的时钟连在一起，很可能过多地采到无效数据。分开控制以后，通过软件延时，可以方便地分别对 A／D和FIFO的时钟进行控制。调试起来相当方便，力图把采到无效数据的位数减至最低。AD9283的工作时序如图2所示，CY7C4621写时序图如图3所示。