基于 SoPC 的震动信号采集设备设计方法

1、基于 sopc 的震动信号采集设备设计方法在工程结构测试和分析中，震惊信号的采集是一项基础性的工作，其采集的速度、精度和稳定度对测试的结果分析有重要的意义。震惊数据分析技术的不断提高要求速度更快、精度更高、功能更强、成本更低的数据采集系统。ad7329恰好满足这些要求，它集成了可编程输入范围切换矩阵、高精度基准源和高性能a/d转换单元于一体，而nios 软核cpu具有数据吞吐率高、配置灵便、可升级性强等特点，是一款性价比很高的微控制器，结合两者并通过高速spi举行通信，构成了高速、高精度震惊信号采集设备。一、sopc与nios 嵌入式系统简介sopc（system on programmabl

2、e chip，可编程的片上系统）是公司提出来的一种灵便、高效的解决计划。它将处理器、存储器、i/o口等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。sopc是pld和asic技术融合的结果，可以认为sopc代表了产业将来的进展方向。nios 系列32位risc嵌入式处理器具有超过200dmip的性能，在低成本中实现成本惟独35美分。因为处理器是软核形式，具有很大的灵便性，可以在多种系统设置组合中举行挑选，满足成本和功能要求。采纳nios 处理器举行设计，可以协助用户将产品快速推向市场，延伸产品生命周期，防止浮现处理器逐渐过时的状况。二、ad7329模/数转换器ad73

3、29是公司推出的基于i(industrial cmos)工艺的8通道12位精度1msa/s采样速度的靠近型模/数转换器。icmos是一种结合了高cmos和低电压cmos的特别工艺，使得高精度模拟器件操作电压的范围达到了33v，远远高于上一代器件所能承受的极限。因为采纳了此种新的工艺，ad7329在实现双极性输入的同时提高了精度，并且减小了功耗和体积。ad7329可以实现真正的双极性输入，并且具有4种可编程输入范围，即±10v,±5v,±2.5v和0+10v，每个模拟输入通道可以被自立设置。同时模拟输入通道也可配置成单端输入模式、差分输入模式以及伪差分模式。该器件内

4、置了一个2.5v的基准源，同时也允许外部基准的输入，在外部基准为3v时双极性模拟输入的范围是±12v。该器件采纳的是spi高速串行接口，总线时钟频率可以稳定工作在20mhz，在给提供时钟的同时完成数据的传输。三、系统原理与组成系统组成框图1所示，包括nios 嵌入式处理器、avalon总线、jtag控制器和调试接口、sdram、dm9000a网络接口以及ad7329采样控制模块。图1 系统结构框图在a/d采样控制器的控制下，ad7329采集得到的电压信号通过spi接口传送到控制器的fifo中，当数据量达到fifo的75%时，控制器产生中断，通知cpu读取数据。cpu收到中断后，启动d

5、ma，将a/d采样控制器fifo中的数据传送到以太网控制器的fifo中，而后利用nichestack协议栈采纳udp方式将数据发送到网上。jtag控制器和调试接口用来软硬件调试和系统软硬件程序的配置。sdram用来运行软件程序和提供fifo的物理空间。四、ad7329与nios 接口的设计1 接口硬件设计spi（serial peripheral interface）即串行外围设备接口是motorola公司推出的一种同步串行接口。spi总线是一种4线同步总线，占用较少的i/o资源。nios 与外界spi接口通信可采纳软件控制i/o、mege ip core以及自定义外设等办法。软件控制i/o是

6、利用cpu执行程序来模拟spi接口的时序从而完成通信，其特点是设计容易、用法便利，但是因为cpu长时光举行时序模拟，不能发挥出高速信号处理的优势，故不适合本设计；mege ip core是altera公司（或第三方）推出的可以实现特定功能的ip核，通过将它集成到sopc系统中，可以迅速构成spi接口，但利用此种办法只能完成基本的通信功能，不能实现更多的扩展，故本设计不采纳；自定义外设即定制基于avalon的用户外设，通过自行设计spi硬件控制器，在实现通信功能的同时，使其具有采样通道控制、fifo缓冲以及dma功能，使cpu不再参加通信操作，而利用dma中断举行采样数据的传输，可以极大的提高c

7、pu利用率，故本设计采纳此种办法。本设计采纳硬件描述语言对自定义的a/d采样控制器举行设计。2所示，控制器与avalon总线通过data_bus、addr、pro_clk、wr、rd以及interrupt举行通信，接受cpu的控制命令和回传采样数据；控制器与ad7329通过miso、mosi、sclk以及cs举行通信，完成采集的控制和数据的传输。控制器设计好后利用sopc builder对其封装成一个元件（也可称之为ip核），而后可以像altera提供的mege ip core外设一样用法。图2 spi原理图2 接口软件实现为了实现a/d采样控制器的功能，除了硬件设计外，还需要开发相应的硬件抽

8、象层（hal）驱动程序。hal可以看作是一个支持应用程序开发的软件平台，它提供api函数接口，屏蔽硬件拜访详情，虽然占用了一些额外的资源，但大大增强了应用程序的开发速度和可移植性。驱动开发的第一步就是创建一个用于描述设备寄存器的设备头文件，在这个文件中应用清楚易懂的宏符号描述出寄存器集合，并给出其拜访办法；其次步为创建驱动程序，即为应用程序编写api函数，用以完成控制器初始化、工作模式设定、spi通信等功能；驱动程序开发完毕后，还需要把源程序文件放到商定的名目下，并为它编写一个容易的makefile文件，这样，驱动程序才干编译到hal系统库中。下面列出了主要的api函数：bool init_s

9、pi(void); /spi控制器初始化，返回值为0表示胜利，下同bool init_ad7329(void); /ad7329初始化bool set_ad7329_inputmode(unsigned int inputmode) ; /设置模拟输入模式bool set_ad7329_powermode(unsigned int powermode); /设置输入电源范围bool set_ad7329_workmode(char workmode，char startchannl，char number);/设置工作模式：即所选通道、通道自动切换模式int set_ad7329_samplestart(void); /开头采样，返回值为采样工作模式3 与测试a/d采样控制器是在 7.2 sp3环境下设计的，在完成时序仿真后采纳modelsim 7.2中举行功能仿真，仿真结果3所示。通过仿真结果可以看出，在cpu控制下，通过avalon总线控制指令和数据传递给a/d采样控制器并写入到其内部寄存器中，在控制指令的作用下，完成ad7329的初始化、输入模式、输入电压范围和采样通道的挑选，并开头举行采样。在采样数据达到预定数量时，interrupt变低，通知cpu启动dma数据传输，而后，在dma控制器的控制下，完成了数据的读取。图3 spi仿真时序图五、结论本系统经