一種基于SOC芯片的數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)設計

秦沖 鄧道杰

摘要：對航空數(shù)據(jù)采集器進行優(yōu)化設計，提出一種基于SOC芯片的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方案。重點闡述了系統(tǒng)硬件結(jié)構組成，給出了1394功能模塊、基板模塊和PS電源模塊的設計，同時對比了傳統(tǒng)設計的不足和給出本設計的優(yōu)點。經(jīng)試驗驗證表明，該系統(tǒng)能夠滿足實時性要求，穩(wěn)定性良好，可靠性較高。

關鍵詞：數(shù)據(jù)采集器 SOC芯片 CAN總線 RS422總線

1 引言

在傳統(tǒng)的航空數(shù)據(jù)采集器設計中，多采用模塊化設計方案，將不同的功能單元設計為單獨的模塊，各功能模塊之間通過母板上的局部總線接口，實現(xiàn)處理器模塊和其他功能模塊的訪問連接。傳統(tǒng)的設計方案采用標準模塊化設計，實現(xiàn)了模塊的通用性和復用性，但是其結(jié)果是數(shù)據(jù)采集器產(chǎn)品的尺寸大，重量大。在新一代飛機設計體系中，以小型化和輕型化為核心，提出了減重設計的新要求。本文提出一種基于SOC芯片設計方案，采用SOC芯片集成的功能單元進行設計，減少產(chǎn)品模塊的組成，從而設計出滿足小型化、輕型化要求的數(shù)據(jù)采集器。

2 數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)結(jié)構設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構框圖如圖1所示，該系統(tǒng)結(jié)構是以負責數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)任務功能的處理器和輸入輸出邏輯控制的FPGA為核心，采用可編程SOC芯片，其內(nèi)部集成ARM處理器硬核和可編程邏輯資源，通過片內(nèi)AXI總線連接處理器硬核和可編程邏輯資源。每一路輸入接口通過信號調(diào)理等預處理電路處理后，由可編程邏輯負責完成數(shù)據(jù)采集，處理器通過訪問邏輯獲取所有的底層采集數(shù)據(jù)結(jié)果，根據(jù)上位機數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議要求，將這些采集數(shù)據(jù)進行打包處理，周期性通過1394總線發(fā)送給上位機;同時，數(shù)據(jù)采集器周期性從1394總線上獲取總線數(shù)據(jù)，將該總線數(shù)據(jù)進行解析，將需要的輸出的命令通過可編程邏輯輸出到各個接口。

數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部設計了3個功能模塊，組成整機產(chǎn)品的模塊在功能上分為1394功能模塊、基板模塊和PS電源模塊。

3 數(shù)據(jù)采集器硬件設計

3.1 1394功能模塊

1394功能模塊以實現(xiàn)處理器訪問接口控制邏輯和1394協(xié)議的FPGA可編程邏輯芯片為核心，配備1394協(xié)議標準要求的鏈路層、物理層和接口變壓器芯片電路，實現(xiàn)完整的1394總線系統(tǒng)接口到電氣接口電路。

3.2 PS電源模塊設計

電源模塊以28V轉(zhuǎn)5V、±15V功能的DC/DC模塊為核心，并配備過壓保護、浪涌保護功能電路，同時對輸出的5V、±15V進行采集監(jiān)控，當輸出電流過大時，將關閉該電壓的轉(zhuǎn)換輸出。

3.3基板模塊設計

基板模塊以可編程SOC芯片為核心，由處理器外圍電路、CAN總線接口電路、RS422總線接口電路、模擬量采集電路、離散量采集電路組成。模塊組成結(jié)構如圖2所示。

處理器外圍電路以SOC芯片為核心，配備相應的電源轉(zhuǎn)換電路、時鐘電路、復位電路、存儲器電路和調(diào)試接口電路，該部分電路實現(xiàn)了處理器工作的最小系統(tǒng)，為基板模塊的核心單元。

CAN/RS422總線電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器與外部設備之間的CAN/RS422總線通訊功能。傳統(tǒng)的設計中，多采用總線協(xié)議芯片及CAN/RS422總線收發(fā)器芯片進行設計，該設計方法中處理器通過可編程邏輯實現(xiàn)對協(xié)議芯片的并行訪問控制，協(xié)議芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換和并串轉(zhuǎn)換，通過收發(fā)器芯片轉(zhuǎn)換為CAN/RS422標準差分信號，實現(xiàn)與外部設備的通訊功能。本設計中直接采用SOC芯片內(nèi)部集成的CAN/RS422總線協(xié)議單元進行設計，相較于傳統(tǒng)的設計方法，減少了電路的組成，提高了產(chǎn)品的集成度。

模擬量采集電路實現(xiàn)對外部模擬量輸入信號的采集轉(zhuǎn)換功能。傳統(tǒng)的設計中，多采用專用的AD轉(zhuǎn)換芯片和模擬量多路復用器芯片實現(xiàn)，同時AD轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換控制、模擬量多路復用器的通道切換控制由處理器直接進行控制操作，降低了處理器的執(zhí)行效率。本設計直接采用SOC芯片內(nèi)部集成的ADC模塊單元進行設計，芯片內(nèi)部的可編程邏輯配置周期性控制模擬量多路復用器的通道切換及ADC的轉(zhuǎn)換控制，將采集結(jié)果存入可編程邏輯內(nèi)部寄存器中，采集轉(zhuǎn)換過程中無需處理器參與，提高了處理器的執(zhí)行效率，減少了電路的組成。

離散量采集電路實現(xiàn)對外部離散量輸入信號的采集功能。傳統(tǒng)的設計中，多采用電阻、電容、二極管、比較器等分立器件進行電路設計，在該設計方法中，電路接口特性固定，且占用FPGA引腳多。本設計中采用專用的多通道離散量集成芯片進行設計，該芯片具備SPI總線接口訪問功能，各通道的接口特性可根據(jù)需要進行軟件配置，提高了采集接口的通用性。同時該芯片尺寸小，配置電路簡單，提高了產(chǎn)品的集成度。

4 總結(jié)

本文提出基于SOC芯片的數(shù)據(jù)采集器，集成處理器和邏輯運行功能，具有硬件組成少，可在不需要中央處理器即可完成數(shù)據(jù)的采集，且具備可擴展性，功能移植性好，同時具有較高的處理速率，控制周期短，可以滿足航空領域中采集系統(tǒng)對精度和實時性的要求。

參考文獻

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