基于MicroZed的高速多路实时信号采集系统设计

摘 要：针对工业制造领域中对实时采集传输多路传感器数据的需要，提出一种基于MicroZed 的多路信号实时采集传输系统。系统包含两路最高采样率1 MSPS的采集端口和16路最高采样率200kSPS的采集端口，对外提供多电压电源接口，适应性强，使用灵活，具有一定的实用价值。

关键词：MicroZed；多路信号采集；实时传输

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.126

0 引言

随着电子技术、计算机技术的发展，信号采集传输在工业控制、测量、工业制造等领域有着非常广泛的应用[1]，这些领域需要实时采集传输数据，不同领域的需要的供电电压及输出的信号频率不同，作为系统前端，数据采集模块的性能对整个系统性能起着至关重要的作用[2][3]。本文设计了一个18通道的高速信号实时采集传输系统，提供多电压接口。

1 系统硬件选择

AD7902 是ADI 公司推出的一款双16位SAR 模数转换（ADC）芯片，单路最高采样率可达1MSPS，单电压供电，模拟输入范围0V到Vref（2.5V或5V），本文选择2.5V，两路独立控制独立工作。AD7606是ADI公司推出的八通道16位模数转换芯片，最高采样率可达200kSPS，单电压供电，模拟输入范围±5V或±10V，本文选择±10V，每4路为一组单独控制。系统使用一片AD7902两片AD7606来实现，最大数据率将达到20MBPS，如此大的数据率只能使用FPGA来实现。

MicroZed是安富利推出的全可编程开发板，使用的主控芯片是Xc7z010，该芯片是Xilinx公司开发的一款全可编程逻辑器件Zynq -7000系列的一员，自带两个ARM Cortex A9 CPU核及FPGA资源，A9 CPU自带包括SDIO、UART、USB、以太网等丰富的外设，系统时钟频率可设置。另一方面，芯片内部的FPGA逻辑资源给用户提供了自定义硬件的功能，用户可以根据实际需要设计自己的硬件模块，用户自定义设计的硬件模块可以通过AXI总线挂载作为A9 CPU系统外设，该芯片可以实现个性化灵活的SoPC系统。FPGA的并行特性决定了该芯片是高数据率、高实时性控制系统的理想选择，选择MicroZed作为采集系统的主控板可满足实时控制ADC芯片采集数据并将采集数据通过以太网口传输到上位机的要求。

2 系统硬件结构

为了使用中更灵活简洁，系统提供28V、12V及5V电源接口，给外部源信号设备供电。系统采用DCDC变换的方式将输入的12V电源变换到所需要的电压值，系统电源框图如图1所示。

系统实现架构如图2所示。系统中使用xc7z010芯片中的一个RAM A9 核作为主控CPU，使用芯片的FPGA资源开发ADC采样芯片的控制模块，ADC芯片控制模块使用AXI4接口，作为外设挂在总线上供CPU调用。图中的AXI4总线包含AXI4 GP总线和AXI4 HP总线，GP总线连接外设用以访问寄存器，HP总线连接需要访问内存的外设以实现高速数据存取。ADC转换的数据由ADC芯片控制模块按规定时序读取到芯片控制模块中，控制模块把数据按一定的格式排列通过AXIs接口送给DMA模块，最后由DMA模块搬运到内存中给软件处理。FPGA的并行特性决定了三个ADC控制模块可同时工作，也即三个ADC芯片可同时采集数据，在传输过程中为了提高总线的效率，每个控制器采集满1KB 数据后由DMA产生一个中断请求信号，软件检测到中断请求后再打包内存中的数据并经过以太网口发出给上位机。硬件系统设置总线时钟为50MHz，AD7902采样速率为800kSPS，AD7606采样速率为100kSPS。

3 系统软件结构

由于使用FPGA资源实现了底层数据采集控制和搬运工作，所以软件部分的工作变得相对简单。在系统启动后配置ADC控制器、DMA、以太网等外设之后，等待DMA中断产生，接到中断请求后判断中断源ID，将内存中固定地址的数据打包成一定格式后发给以太网口控制器即可，软件流程图如图3所示。

为了使上位机能正确接收数据，要发送的数据需要打包处理，每一个数据包要包含数据的属性信息。软件定义三个宏以表示三块ADC芯片：

#define AD7902_CHIP_1 0

#define AD7606_CHIP_1 1

#define AD7606_CHIP_2 2

发送的数据结构体：

typedef struct adc_data_s {

unsigned int chip； /* 芯片号0，1，2 */

unsigned int seqno； /* 数据包序列号 */

unsigned int data_len； /* 数据长度 */

unsigned int sample_rate； /* 采样率 */

char data[1024]； /* 实际数据 */

} adc_data_t；

根据上面的结构体可以得到发送数据的帧格式，如图4所示。

4 结语

工程实践结果表明，FPGA+ARM的形式可以实现大量数据的实时处理传输，本文采用这种模式，实现了高速多路数据同时实时采集传输。芯片资源还比较充裕，可根据实际需要加入前端运算功能，如FFT、滤波等功能。

参考文献：

[1]文香桂，王根平，易灵芝，谢高生，王仁兴.一种256路高精度实时信号采集系统的设计[J].计算机测量与控制，2012，20（02）.

[2]刘贺云，柳世传.精密加工技术[M].武汉：华中理工大学出版社，1991.

[3]韩国荣，吴长瑞，张胜新.FPGA在高速采集系统中的应用[J]. 测控技术，2012，31（05）.

作者简介：高广波（1990-），男，云南文山人，硕士，研究方向：无线通信。

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