基于ARM和FPGA的微加速度计数据采集系统设计

2．2 8位A／D转换芯片TLC0820

TLC0820是德州仪器公司(TI)推出的，采用先进LinCMOS工艺制造的A／D转换器，它由两个4位的闪速(FLASH)转换器，一个4位的数／模转换器，一个计算误差放大器，控制逻辑电路和结果锁存电路组成。它采用8位并行输出，并且不需要外部时钟和振荡元件，广泛应用于高速数据采集系统、工业控制和工厂自动化系统，其封装引脚如图3所示。引脚功能描述如下：ANLG IN为模拟输入；为片选，低有效；DO～D3，D4～D7为三态数据输出；为中断输出端，表示转换结束；MODE为方式选择输入；为溢出标志；为读输人端；REF-为参考电压下限值；REF+为参考电压上限值；VCC为电源电压；为写输入／读状态输出。

2．3 Altera-FPGA与ARM处理器

该系统的FPGA采用Altera FPGA公司的CycloneⅡ系列的EP2C35实现，EP2C35提供多达33 216个逻辑单元(LE)，35个18×18位乘法器483 840 b的内部RAM块，专用外部存储器接口电路，4个锁相环(PLL)和高速差分I／O等功能。

该系统中采用的ARM处理器是Philips公司的LPC2210，是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16／32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器。 LPC2210的144脚封装、极低的功耗、两个32位定时器、八路lO位ADC，PWM输出以及多达九个外部中断使其特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机等。通过配置，LPC2210最多可提供76个GPIO。由于内置了宽范围的串行通信接口，其也非常适合于通信网关、协议转换器以及其他各种类型的应用。

3 采集系统整体实施方案

3．1 FPGA控制A／D芯片进行加速度计数据采集

该加速度计是利用两路模拟电压输出来反映加速度值的大小，当加速度值为O时输出电压为1．50 V，电压输出灵敏度为150 mV／g，A／D转换器模拟输入电压范围为VCC±0．1 V，低于VREF- +(1／2)LSB或高于VREF+ -(1／2)LSB的模拟输入电压分别转换为00000000或1111111，系统中所加电压分别为VCC=VREF+=5 V，VREF-=GND=O V。TLC0820可通过MODE的设置工作在只读和读写两种方式。当MODE为低时，转换器为只读方式。在这种方式中，作为输出，且作为准备输出端；同时。当为低时，亦为低，表明器件忙，转换器在的下降沿开始转换，经过不到2．5μs转换完成，此时下降．为高阻，数据输出也由高阻变为有效的数据端，当数据读出后，变高，返回高，数据输出端返回到高阻态。当MODE为高时，转换器为读／写方式，作为写输出端。当和为低时，转换器开始测量输入信号，大约600 ns后返回高，转换器完成转换，在读写方式中，在上升沿开始转换。该实验采用读写方式来控制A／D芯片来读取加速度计的值，所需的控制信号由FPGA输出，相关的逻辑控制采用Verilog硬件描述语言进行编写，图4为QuartusⅡ中FPGA连接A／D芯片与ARM系统的顶层模块图。

由A／D转换输出转换后的8位数字信号，可以从QuartusⅡ内置的逻辑分析仪中读取，图5为通过QuartusⅡ软件内置逻辑分析仪查看读取数据值的截图。从图5中可以看出在读写方式中，在WR／RDY的上升沿开始启动转换，到INT的下降沿转换完成，转换时间可通过时间标尺计算出来，为24×40=960 ns，之后就可以通过RD的上升沿开始读取转换后的数据到数据总线中，如图5中的XDD以及YDD。因为单片机的处理速度一般都低于A／D转换芯片的速度，故将XDD与YDD的数据存储到FPGA中的FIFO中，FIFO便起到数据缓冲的作用，以备接下来单片机对数据进行读取。

作者：秦 奎，张卫平，陈文元 上海交通大学 来源：现代电子技术