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加速度計是一種應用十分廣泛的慣性傳感器，它可以用來測量運動系統的加速度。目前的加速度計大多采用微機電技術(MEMS)進行設計和制造的微型加速度計，由于采用了微機電技術，其設計尺寸大大縮小，一個MEMS加速度計只有指甲蓋的一小部分，MEMS加速度計具有體積小、重量輕、能耗低等優點。 隨著微加速度計的應用越來越廣泛，對于微加速度計的數據信號采集和存儲變得極為重要。傳統的數據采集方法多數是用單片機完成的，其編程簡單、控制靈活，但缺點是控制周期長、速度慢，特別是對高速轉換的數據來說，單片機的慢速度極大地限制了數據傳輸速度。而FPGA(現場可編程門陣列)具有單片機無法比擬的優勢。FPGA時鐘頻率高，內部延時小，全部控制邏輯由硬件完成，速度快、效率高，適于大數據量的高速傳輸控制。在高速數據采集方面，FPGA有單片機無法比擬的優勢，然而單片機的接口豐富，數據處理能力強，便于完成數據的顯示和存儲等操作。 綜合單片機與FPGA的優點，這里介紹一種基于ARM和FPGA的微加速度計數據采集存儲系統，結合MXR6150G／M加速度計傳感器和TLC0820-A／D轉換芯片，提供了一種配置靈活、通用性強的數據采集方案。 1 系統整體設計方案 圖1是數據采集系統的總體結構框圖，該系統主要由雙軸加速度計、A／D轉換器、FPGA和ARM處理器四大部分組成。雙軸加速度計輸出兩路模擬信號，分別代表z軸與y軸的加速度值，通過A／D轉換芯片把輸入的兩路模擬信號轉換為8位的數字信號，FPGA接收來自A／D轉換芯片的數字信號，并對數字信號進行處理，處理后的數據經過FPGA中的FIFO存儲器緩存后由ARM處理器采取中斷方式接收采集，采集到的數據可以通過串口通信在PC機上實時顯示，也可以通過IDE接口存儲到大容量硬盤。 2 系統硬件設計與實現 2．1 MXR6150G／M加速度計傳感器 MXR6150G／M是無錫美新半導體公司生產的雙軸加速度計傳感器，它采用標準的亞微米CMOS工藝制造，可以測量從-5g～+5g(g為重力加速度)范圍內的加速度信號，該加速度計是利用兩路模擬電壓反映加速度值的大小，當加速度計靜止，加速度值為0時輸出電壓為1．50 V，電壓輸出靈敏度為150 mV／g。圖2為此加速度計的外觀頂視圖，表1為加速度計的引腳描述，其中引腳7和引腳6分別輸出x軸和y軸的加速度分量。實際加速度的值需要將x軸與y軸加速度的值進行合成得到，這可利用FPGA的并行計算處理來完成。 2．2 8位A／D轉換芯片TLC0820 TLC0820是德州儀器公司(TI)推出的，采用先進LinCMOS工藝制造的A／D轉換器，它由兩個4位的閃速(FLASH)轉換器，一個4位的數／模轉換器，一個計算誤差放大器，控制邏輯電路和結果鎖存電路組成。它采用8位并行輸出，并且不需要外部時鐘和振蕩元件，廣泛應用于高速數據采集系統、工業控制和工廠自動化系統，其封裝引腳如圖3所示。引腳功能描述如下：ANLG IN為模擬輸入；為片選，低有效；DO～D3，D4～D7為三態數據輸出；為中斷輸出端，表示轉換結束；MODE為方式選擇輸入；為溢出標志；為讀輸人端；REF-為參考電壓下限值；REF+為參考電壓上限值；VCC為電源電壓；為寫輸入／讀狀態輸出。 2．3 Altera-FPGA與ARM處理器 該系統的FPGA采用Altera FPGA公司的CycloneⅡ系列的EP2C35實現，EP2C35提供多達33 216個邏輯單元(LE)，35個18×18位乘法器483 840 b的內部RAM塊，專用外部存儲器接口電路，4個鎖相環(PLL)和高速差分I／O等功能。 該系統中采用的ARM處理器是Philips公司的LPC2210，是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器。 LPC2210的144腳封裝、極低的功耗、兩個32位定時器、八路lO位ADC，PWM輸出以及多達九個外部中斷使其特別適用于工業控制、醫療系統、訪問控制和電子收款機等。通過配置，LPC2210最多可提供76個GPIO。由于內置了寬范圍的串行通信接口，其也非常適合于通信網關、協議轉換器以及其他各種類型的應用。 3 采集系統整體實施方案 3．1 FPGA控制A／D芯片進行加速度計數據采集 該加速度計是利用兩路模擬電壓輸出來反映加速度值的大小，當加速度值為O時輸出電壓為1．50 V，電壓輸出靈敏度為150 mV／g，A／D轉換器模擬輸入電壓范圍為VCC±0．1 V，低于VREF- +(1／2)LSB或高于VREF+ -(1／2)LSB的模擬輸入電壓分別轉換為00000000或1111111，系統中所加電壓分別為VCC=VREF+=5 V，VREF-=GND=O V。TLC0820可通過MODE的設置工作在只讀和讀寫兩種方式。當MODE為低時，轉換器為只讀方式。在這種方式中，作為輸出，且作為準備輸出端；同時。當為低時，亦為低，表明器件忙，轉換器在的下降沿開始轉換，經過不到2．5μs轉換完成，此時下降．為高阻，數據輸出也由高阻變為有效的數據端，當數據讀出后，變高，返回高，數據輸出端返回到高阻態。當MODE為高時，轉換器為讀／寫方式，作為寫輸出端。當和為低時，轉換器開始測量輸入信號，大約600 ns后返回高，轉換器完成轉換，在讀寫方式中，在上升沿開始轉換。該實驗采用讀寫方式來控制A／D芯片來讀取加速度計的值，所需的控制信號由FPGA輸出，相關的邏輯控制采用Verilog硬件描述語言進行編寫，圖4為QuartusⅡ中FPGA連接A／D芯片與ARM系統的頂層模塊圖。 由A／D轉換輸出轉換后的8位數字信號，可以從QuartusⅡ內置的邏輯分析儀中讀取，圖5為通過QuartusⅡ軟件內置邏輯分析儀查看讀取數據值的截圖。從圖5中可以看出在讀寫方式中，在WR／RDY的上升沿開始啟動轉換，到INT的下降沿轉換完成，轉換時間可通過時間標尺計算出來，為24×40=960 ns，之后就可以通過RD的上升沿開始讀取轉換后的數據到數據總線中，如圖5中的XDD以及YDD。因為單片機的處理速度一般都低于A／D轉換芯片的速度，故將XDD與YDD的數據存儲到FPGA中的FIFO中，FIFO便起到數據緩沖的作用，以備接下來單片機對數據進行讀取。 3．2 ARM系統接收FPGA數據 圖6為FPGA與ARM相連接部分的傳輸接口框圖。ARM系統主要控制數據采集的啟動和采集結束后對數據的顯示和存儲，在數據采集的過程中，ARM處理器系統讀取FPGA中的數據，實際上是讀取FIFO中的數據。FIFO的容量可以通過軟件進行設置，它有兩個狀態顯示信號，分別為ALFUL和EMPTY，ALFUL是指FIFO接近滿，當ALFUL從低電平變為高電平后，ARM單片機系統就可以發送RDFIFO信號來讀取FIFO中的數據輸出端口的數據，當FIFO中的EMPTY信號從低電平變為高電平，表明FIFO中已無數據可讀，ARM單片機就開始等待ALFUL的跳變進行下一次的讀取。 3．3 加速度數據顯示和存儲 由ARM系統采集到的數據可通過串口線發送到上位機進行實時顯示，也可以通過模擬IDE通信協議儲存到IDE硬盤中。LPC2210通過串口線與上位機進行通信主要是應用ARM芯片LPC2210中的通用異步接收／發送裝置UART0，而使用LPC2210的通用可編程I／O口，可以模擬產生IDE硬盤的讀寫時序，實現對存儲設備的讀寫操作。這樣可以實現加速度數據的顯示和存儲。 4 結語 這里介紹一種MEMS器件微加速度計的數據采集設計方案，結合當前應用廣泛的處理芯片ARM和FPGA，給出了一種配置靈活、通用性強的數據采集方案。實驗中可準確采集美新加速度計MXR6150G／M的加速度信號，采集到的信號既可以在上位機實時顯示，又可以存儲在IDE接口硬盤中，達到了數據顯示和存儲的目的。 |
