基于ARM和CPLD的高速數據采集系統設計

數據采集系統是通過采樣電路將輸入的模擬信號轉換成離散信號，并送入CPU、MCU或DSP進行處理。現在流行的基于PCI總線設計的采集卡是數據采集系統的主流，其優點是可以利用PCI總線的研究成果快速的開發系統軟件，整體運行速度快，能夠實現實時采集實時處理。但在一些工業測控現場檢測大型設備時，從現場到機房有一定的距離，模擬信號傳到安裝在PC內的PCI數據采集卡會有不同程度的衰減，且易受工業環境的干擾。而單純用由微控制器（MCU）為核心的數據采集系統時，把數據采集器置于被監測的設備處，雖然可以避免模擬信號的衰減和被干擾，但在這種數據采集系統中，A/D轉換器的啟動、讀取數據并存入到存儲器的整個過程由MCU來參與控制，由于受MCU執行指令時間的限制，采集的速率較低，難以適應高速信號采集的需要。本文利用ARM微處理器和CPLD器件組成的現場數據采集系統，然后通過以太網接口于上位機相連，就可以有效解決上述問題。

系統的設計方案
整個數據采集系統如圖1所示。數據采集系統首先對采集的信號進行前端處理，如信號放大、濾波等預處理。采用的CPLD器件實現整個系統的控制邏輯，它控制著采集通道的切換、A/D轉換的起/停、轉換后的數據存放在存儲單元的地址發生器、產生中斷請求以通知ARM讀取存放在存儲器中的數據，由ARM微處理器進行快速的處理和傳輸。

圖1 數據采集系統框圖

1 信號調理模塊
在信號進行數模轉換前，在保證被采集信號不失真的前提下，對輸入的信號進行放大、濾波等預處理。高速數據采集系統的輸入信號通常為高頻信號，需要進行阻抗匹配和前置放大，可以選用高速低噪聲信號前置放大器和信號變壓器。信號前置放大器的優勢是：放大系數可變，信號輸入的動態范圍大，還可以配置成有源濾波器。但放大器的最高工作頻率和工作寬帶必須滿足系統設計的需要，避免信號失真，同時應該考慮放大器引入的噪聲損失，為避免對A/D轉換器性能的不利影響，前置放大器的信噪比應遠大于A/D轉換器的信噪比。當頻率遠遠大于100MHz時，盡可能采用信號變壓器，其性能指標（如最高工作頻率和工作帶寬）優于信號放大器，而且信號失真很小，但信號放大系數固定，輸入信號的幅度受到限制。該設計中采用前置放大器,其前端的信號調理電路如圖2所示。

2 A/D轉換模塊
將連續信號轉換成離散信號進而轉換成數字信號以適用于處理的重要芯片是A/D轉換器。一般的逐次逼進型A/D轉換芯片的轉換速度最多在每秒鐘幾萬次，不能滿足高速采樣的要求。該設計中選擇TI公司的TLC5540高速模數轉換芯片，其具有8位分辨率，內置采樣和保持電路，該芯片采用一種改進的半閃結構、CMOS工藝制造，因而大大減少了器件中比較器的數量，而且在高速轉換的同時，能夠保持低功耗，轉換速率可達40Mb/s。

TLC5540以流水線的工作方式進行工作，在每一個CLK周期均啟動一次采樣，完成一次采樣，每次啟動采樣是在CLK的下降沿進行，第n次采樣的數據經過3個時鐘周期的延遲之后，送到內部數據總線上，所以系統剛啟動時讀取的3個數據是無效數據，在軟件設計時，必須拋棄系統啟動時讀取的前3個數據。