基于SOPC的远程多通道数据采集系统设计.pdf

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1、第 8 卷 第 2 期 2 0 1 0年 4月 信 息 与 电 子 工 程 I NF ORMATI ON AND EL EC TRONI C ENGI NE ERI NG Vo 1 8 NO 2 Ap r，2 01 0 文章 编号：1 6 7 2-2 8 9 2(2 0 1 0)0 2 0 2 2 7-0 4 基 于 S O P C的远程 多通道数据采集 系统设计 陆健锋 h，李晓峰，胡 玮 h (1电子科技 大学a 物理电子学院；b 空天科学技术研究院，四川成都6 1 0 0 5 4)摘 要：讨 论 一个 低成本、便携 式、远程 多通道数 据采 集系 统 的设 计，分别 介绍 了系统结构、软

2、硬 件设 计、N i o s I I系统模块 结构 等。数据采 集系统主 要 由信 号采 集模块、数据处 理模块 和数据 传 输模 块 构成。信 号采 集模 块包 含 温度、湿度、气压、雨量、风 向、风速 6个 气象数据采 集模块、全 球 定 位 系 统(G P S)模 块 和 电荷 耦 合 器 件(C C D)模 块；数 据 处 理 模 块 中采 用A L T E R A 公 司 的 E P 3 C 2 5 F 3 2 4现场 可编程 门阵列(F P G A)芯 片，具有 片上 可编程 系统(s o P c)集成度 高、灵 活性 强的特 点；数据传 输模块 采用通 用无 线分组 业务(G P

3、 R S)和 有线 R S 2 3 2两种 方式传 输数据。设计 验证仿 真 表 明，完全 满足预 期要 求。关 键词：数据 采集；现场可 编程 门阵列；N i o s I I 处 理器 系统；片上 可编程 系统 中图分类 号：T N 9 1 9 5；T P 2 7 4 2 文献 标识 码：A D e s i g n o f t h e r e mo t e mu hi c h a n n e l d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m b a s e d o n S OPC L U J i a n-f e ng”，L I Xi a o f e n

4、g ，HU W e i (1 a C o l l e g e o f P h y s i c a l E l e c t r o n i c s；l b I n s t i t u t e o f As t r o n a u t i c s Ae r o n a u t i c s，UE S TC，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 5 4，C h i n a)Ab s t r a c t：Th i s s t u d y d i s c u s s e d a l o w c o s t，po r t a b l e，r e mo t e mu l t

5、i c ha n n e l d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m de s i g n，a n d i n t r o d uc e d t he s y s t e m s t r u c t u r e，s o f t wa r e a n d ha r d wa r e d e s i g n a n d Ni o s I I s y s t e m mo d u l e s t r u c t u r e，e t c Th e d a t a a c q ui s i t i o n s y s t e m c o n t a i n e

6、 d s i g n a l a c q u i s i t i o n mo d u l e，d a t a p r o c e s s i n g mo d u l e a n d da t a t r a n s mi s s i o n mo d u l e Th e s i g n a l a c q u i s i t i o n mo d u l e c o n t a i n e d a d a t a a c qu i s i t i o n mo d u l e t ha t me a s u r e d s i x me t e o r o l o g i c a l p

7、 a r a me t e r s-t e mp e r a t u r e，h u mi d i t y，a i r p r e s s u r e，r a i n f a l l，wi nd d i r e c t i o n a n d wi nd v e l o c i t y，a Gl o ba l Po s i t i o n S y s t e m(GPS)mo d u l e a n d a Cha r g e Co u p l e d De v i c e(CCD)mo d u l e F P GA(F i e l d P r o g r a mma b l e G a t

8、e A r r a y)c h i p EP 3 C 2 5 F 3 2 4 o f A L T E RA w a s a d o p t e d i n t h e d a t a p r o c e s s i n g mo d u l e，c h a r a c t e r i z e d b y h i g h i n t e g r a t i o n a n d f l e x i b i l i t y o f t h e S y s t e m On P r o g r a mma b l e C h i p(S O P C)T h e d a t a t r a n s mi

9、 s s i o n mo d u l e t r a n s mi t t e d d a t a b y u s i n g t w o wa y s o f Ge n e r a l P a c k e t Ra d i o S e r v i c e(GP R S)wi r e l e s s a n d RS 2 3 2 c a b l e Ve r i f y i n g s i mu l a t i o n r e s u l t s c o mp l e t e l y me t e x p e c t e d d e s i g n r e q u i r e me n t

10、s Ke y w o r d s：d a t a a c q u i s i t i o n；F i e l d P r o g r a mma b l e G a t e Ar r a y；N i o s I I p r o c e s s o r s y s t e m；S y s t e m O n Pr o g r a mma b l e Ch i p 大气随 机信道对 激光传 输性能 的影 响是制 约空 间光通信 的重要 因素之 【l】，大气参数 测量和 激光大气 传输效 应测量是光波传输特性测量的两个主要方面。大气参数测量主要指对信道中的大气温度、湿度、气压、雨量、风 向、风速 6

11、 个气象要素值进行的测量。激光大气传输效应测量主要是指对激光大气传输过程中存在 的到达角起伏、光斑 闪烁、光斑 漂移和光 斑扩展 现象 的物理 测量。C C D 图像信 息 的好 坏对 分析通 信质量、大气 参数影 响等都 起 到相 当大 的作用，且 能用 于观测采 集 点周 围环 境情况。电子科 技大学研 发 了一 套用 于大气 参数测 量和激 光大气传 输效 应测 量 的仪 器，为 了实 现在特 定测试 区域设 置 长期 无人值 守 的监 测点，数 据采 集系 统配备 了 GP S 定 位、G P R S远 程传 输功 能。本文基于 S O P C技术在 F P GA上实现远程多通道数据采

12、集系统的各功能，采用 A L T E R A公司的第二代 F P G A 嵌入 式处理 器 Ni o s I I 与高性 能、低 成本 的 C y c l o n e 芯 片，具 有非 常多 的可配置 的寄存器、极 大的可 扩展性 以及 功 能。收稿 日期：2 0 0 9-0 8-0 5：修回 日期：2 0 1 0 0 1 2 2 2 2 8 信息 与电 子工程 第8 卷 1 系统总体结构 根据 总体 的设计 要求，本文 应处理 的数据主 要包 括大 气参数数据、G P S定 位数据、C C D 图 像数据 等。系统主要 由信 号采集 模块、数 据处理 模 块 和数 据传输模块 等构成。整 个

13、系统 的组成和 工作流程 如图 l 所示。其 中，采 集模块 以传 感器 为核 心，依采集对象 的不同，划 分成气象采 集、G P S、C C D模块等等。数据 处理模 块是 以 F P G A 为核心的主控模块，驱动系统运行，负责数据其 它扩展模 块提供数 据总线接 口和控制接 口。数据 F i g 1 Ge n e r a l c o n fig u r a t i o n o f t h e s y s t e m 图 1系统总体结构框图 传输模 块采用 G P R S无线方 式及 R S 2 3 2串行两 种通信方式将 数据发 回监控 中心。2 系统设计 2 1信 号采集模块 设计 这

14、 部 分需 特别 强 调 的有气 象六 要 素采 集 与 G P S 数据 采集。其 中气象六要 素 的采 集，为了达到小 型化、便携 的 目的，本设 计采用 了温度、湿度、气压、风向、风速 和降水 一体 化设 计方案【3】。其 串 口数 据界 面包 括 S D I 1 2，R S 2 3 2，R S 4 8 5，本文 中采用 RS 2 3 2输 出数据 至 F P GA，无需 外围 电路。G P S 模 块 数 据 接 收 硬 件 原理 图如 图 2 所 示。G P I O1 4管脚驱 动 L E D 用 于判断 G P S模 块 的工作 状 1 f：C L一 RF I N GP 1 01

15、4 、r 一 V ANT I VCC TXA 二 二 GND RXA F i g2 Ha r d wa r e di a g r a m o fGPS mo d u l e 图 2 G P S 模块硬件原理图 态，当模块初始化并在准备接收数据时，L E D灯一直亮，当 GP S 模块处于跟踪模式时，L E D灯闪烁。T X A主要 传送 数据，并 且经常 用于输 出导航和测 量数据 给用户 以便编 写软件 钔。R XA 用 于接收数据和命令，在本 系统 中 该脚 作为预备 脚。2 2 数据处 理模块设计 通过 F P G A串口收到采集数据后按指定数据包格式将本系统所需信息提取并保存在 3 2

16、 M f l a s h中。一部分将 提取的数据进 行显示，并 用软件实 现键 盘控制对 显示的数据进行 用户 自定 义设 置；另一部分则将 提取 的数 据按系 统 指定 的发送 要求进行 打包 发送，可 选择通过 MC 5 5 或 R S 2 3 2 将数 据发送 至终端。本数据采 集系统 的 F P G A采用 A L T E R A公 司的 C y c l o n e I I I 系列可编 程逻辑器 件 E P 3 C 2 5 F 3 2 4，由于这类 器件 用户可用的 I O端 E I 多，片内的逻辑单元 的数量大，器件内部带有乘法器等特点，因此，1)C y c l o n e 1 I

17、 I 系列器件 对 外围设备 的控制可通过独 立 的 I O 端 口来进行，这 可 以减少端 口的复用；2)其 内嵌乘法器 能用于完成 高速乘 法操作，使得 这种器 件的数 字处理 能力得到加强；这些优点极 大地 提高 了系统的采集速度】。2 I 3数据传 输模块 G P R S模块在本系统中主要用来无线传输数据，与监控中心进行通信，其比特率为 9 6 0 0 b i t s。通信模块用 来 传送 网络协 议格式化 的数 据包，所 以必 须通过 F P G A把采集的数据 打包 以后 发送 给通信模块，继 而传送 到网络 上去，让监控中心获取数据，进行监控。对于通信模块，一般是让 F P G

18、A通过它的通信端 15 1 使用一定的操作命令 来传送数据。MC 5 5 模块有功能完备的系统接 15，提供 了标准的 R S 2 3 2串行接 口，可以通过串行 15使用 A T命令 完成对模块的操作。MC 5 5模块内置了T C P I P协议栈，由A T指令控制并使应用程序很容易地接入网络。这一方 案的优点在于它不需要应用程序厂商执行 自己的 T C P I P和 P P P栈，这样最小化了将网络连接集成入一个新的或 已存在 的应用 程序所需 的成 本和时 间。如图 3 所示，F P G A的 I O口与 MC 5 5的 I G T相连，用于启动 MC 5 5 模块。启动模块时，模块的引

19、脚 I G T上 必须有一个 下拉脉 冲且最少 需要延 时 1 0 0 ms，模块才能 正常启动。启 动后，模块 引脚 V DD电压从 0 V升到 2 9 V。可 以依据 引脚 V D D 的电压判断 MC 5 5模块是否 已经正常启动，这 里在 V D D脚上接上 L E D便于观察。第2 期 陆健锋等：基 于 S O P C的远程多通道数据采集系统设计 2 2 9 电路 中 由 F P G A的 I O 口提供 I G T 上 的 启 动 脉 冲。需 要 特 别 注 意 的 是 MC 5 5模块启 动后需要 等待 9 0 0 ms才 能正 常使 用 串 口。F P G A 的 T X D

20、R X D 与 MC 5 5的 T X D R X D相连，进行 数据 的输入输 出。MC 5 5的 R I NG O引脚 用 于通知 呼 叫呼入，因此接 F P G A 的中断 线，作为数据传输的中断信号。在串 口 通信时除使用 T X，R X外，至少需要使 用 C T S和 R T S硬件握 手，以提高通 信 的可靠 性。MC 5 5的 串 口 0可支持 自适 应多速 率，但如果 用户使用 高速率 串 口 通信，建 议将 串 口 0设 为 固定通信 速 率，以提高通信 的可靠性【6】。E ME R G O F F用 于 紧急关机。须使：C J l，R X D 0 E M E R G O F

21、 FT X D 0 M E R O O F F CI S 0 I GT 回 D IR D R IS O R I NG-0 VDD DS R O 斗 一 S Y N C M IC P 1 f：CNl I I 广 _=_ 1 卜、E P P1 I I I M。a r d E P Nl Fi g 3 Ha r d wa r e d i a g r a m o f GP RS 图3 G P R S 模块硬件原理 用 O p e n D r a i n(漏 极开 路)或 O p e n C o l l e c t o r(集 电极 开 路)电路驱 动。保 持低 电平 大 于 3 2 S可 紧急 关 机。

22、电源 V B A T T+，要求 3 _ 3 V 4-8 V，通话时瞬态峰值电流 2 A以上。电源对模块的工作非常重要，如果不能够严格按照 要求，U-I 能造成模 块的非 正常关 机。由于模 块是一个 独立运 行 的计算机小 系统，所 以在 正常情 况下必 须使用 A T指令“A T A S MS O”来关 闭模块，同时必须监 测模块 V D D 引脚，确认 模块关 机后才 能切 断电源。如 果 系统 会经 常断电，则一定要有备用 电池，以保证模块的正常关机流程。2 4 Ni o s I I 系统模块 结构 Ni o s I I 系统模块：包含 Ni o s I I 处理器、A v a l o

23、 n总线、并行输入 输 出口(P I O)、异步收发器(UA R T)、定时器(T i me r)、片上 R A M，fl a s h，L C D。控制程序由运行在 Ni o s I I C P U上的软件完成，负责对信号的采集，Ni o s I I 处理 器作 为实现控 制的 中央处理器，其特 点之一 就是采用 了 A v a l o n总线。A v a l o n总线是 一种协议 较为简 单 的片 内总 线体 系结构，用来将处 理器 和周 边设 备集成 到 S O P C。A v a l o n总线协议 规定 了主、从 部件 的端 12 1 连接 方式 和通信 时序。按系统 硬件规划，S

24、O P C B u i l d e r 中的硬件配 置如 图 4 所 示。2 5 系统软件 设计 Ni o s I I处理 器 的软件设计 方 法是 在 软 核 内存 放 一 段 自己 编写 的 C C+语言控 制程序，控 制 系统 运行，它可 以读 写芯 片的 存储单元，与外 围的设备 进行通 信。在本系统中，N i o s I I 程序的 任务是：在 规定 的周期 内，F P G A 通过 UA R T接收信号采集模块 所采集到的数据，按照其 固定输 出格式 在 F P G A 内通过 软件将 F i g4 M o d u l e s l r u e t u r e u nd e r Ni

25、 o s I I s y s t e m 图 4 Ni o s I I 系统下模块结构 其解包，并将 解 出来 的数据按 功能要求 进行 相应 的处 理，包 括存储、显示、整合 几路数 据打包 发送等。显 示时按 系统指 标要求 每隔 固定 时间显示 一次。F P G A对 气象数 据采集、GP S、C C D模块 的控制首 先从初 始化开始，对 其 串 口进 行设 置；然后是 F P G A对气 象数据采集、G P S、C C D模块的串行数据接收、整理和向 F P GA中写入数据，以供上层决策使用。3 仿真与结果 当系 统收 到的数据 经 F P G A 处理 后，经 GP R S 发送

26、到移 动基 站，通 过其 将数 据放 到公 共 网，终 端 可利 用 T C P U D P S o c k e t 工具接收数据。系统实现数据采集、处理、传输及终端接收功能，接收结果如图 5。2 3 0 信 息与电 子工 程 第8 卷 实际接 收得到 的 G P S数据：$GP R MC，0 2 2 9 5 2 1 1 8 ，A，3 0 4 0 6 6 2 2 ，N，1 0 4 0 6 0 7 8 5 ，E ，0 0 0 ，1 0 0 6 0 9 ，A 7 6 其主要含 义解释 如下：1)当前位 置的格林 尼治时间，即世界 时 间，与北京时 间差 8 h时，格式 为 h h mm s s m

27、s；2)状态，A为 有效位置，V为非有效 接收警告，即当前 天线视野上 方 的卫 星个数少 于 3颗；3)纬度，格式 为 d d mm mmm m；4)标 明南北半球，N为北半 球，s为南半 球；5)经度，格式 为 d d d mm mm mm；6)标 明东西半球，E为东半 球，w 为西半球；7)地 面上 的速 度，范 围为 0 0 到 9 9 9 9；8)日期，格式 为 d d mmy y。利用 Mo d e l S i m软件 的波形仿 真功能对采 集到 的经 处理器处 理后 的输 出数据进行 仿真。给该模 块提供 5 O MHz 系统 时钟 c l k，并 发出复位脉冲 r e s e

28、t。仿 真将输 入 的气象、G P S 等数 据 中所需 要的信息进 行合并 后输 出 一串行 数据。仿真结果 符合预期效果。调试、运行表 明，系统达 到设计要 求，性能稳定。4 结论 二叵巫 叵-：T c P 2 2 1 9 7 1 7 7 g _：T c Pa帅t -：U DP s v ：U DP3ie 【U DPG I 叫p l r 数据接收丑提示窗口一 一 一一一 一 一 一一 一 面i：_ 一 1 e：(3 2 2 9 1 1 0 6 6 lo 1 呲0 7 日 5 0 p _d：Q 加 jJ。I 0：0 2 2 9 5 3 o。O Ia#a ld o：a 0 4 0 6 6 I岫-

29、d o o 6 0 7 a 6 Ip 0 I 1 e 0 2 2 斟 0 0 o 6 6 蔫 l o 1 峨 7 8 7 0 p -d lf I 6：陀 2 蛹0 0 0 I 甜 3 0 a6 6 I o 1 呲啪s p dn 加 I I e：吐 2 蠕0 0 0 I 胡 3 啪6 6 l 0 1 呲嗍s l t d：n 0 0 l 一些塑l _ _ 一 I I L 一一 9 _。一一 一 一 =：=3 广 显示+六进制值 l扳计疆霉 一一一一一 ：=：=j Fi g 5 Us e t e r mi n a l s o ft wa r e t o r e c e ive d a t a 图 5

30、终端软件接收到数据 S O P C集成了硬核或软核 C P U、DS P、锁相环(P L L)、存储器、I O接 口及可编程逻辑，可以灵活高效地解决 系统级芯片(s oc)方案，而且设计周期短，设计成本低。它本身集采样控制、处理、缓存、传输控制、通信于一 个芯 片 内，编 程配置灵 活，开发周期短，系统简单，具有高集成度、体积小、低功 耗、I O端 口多、在系统 编程 等优点【8】。基于软 核 Ni o s I I 的 S O P C设 计 的数据 采集 系统 可 以作为 数据采集 前端，应 用于其它对 多路数据采集 的实 时性和 同步性要求较高 的监测系统 中。本 文 的整体 任务是设计一个

31、 应用在空 间光通信 中多通 道数据采 集处理 系统，该模块具 备在实现空 间光通信下 完成 G P S定位、实现对涉及大气参数等多通道数据进行高精度处理的功能。参 考文献：【1 李晓峰星地激光通信链路原理与技术 M】北京：国防工业 出版社，2 0 0 7 2】林鹏，姚耐军，郝庭柱 基于 S O P C数据采集系统的研究 J 1 天津理工大学学报，2 0 0 6，2 2(3)：3 9 4 1 【3】Va i s a l a V a i s a l a We a t h e r T r a n s mi t t e r WX T 5 2 0 U s e r s G u i d e R O L F

32、 i n l a n d：V a i s a l a o y j，2 0 0 8 2 0 0 9-0 6-2 2 h t t p-w w w v ms Ma c o m f i l e s W XT5 2 0Us e r_Gu i d ei nEn g l i s h p d f 【4】HO L U X T e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n HO L U X G R-8 9 G P S E n g i n e B o a r d U s e r s G u i d e R V e r s i o n A H OL U X T e c h n o l

33、 o g y I n c ，2 0 0 6 【5】陈松柏，周进 基于 D S P+F P G A的多 目标实时检测系统设计【J】信息与电子工程，2 0 0 7，5(1)：2 2 2 5 6】S i e me n s C o r p o r a t i o n AG MC 5 5 5 6 H a r d w a r e I n t e r f a c e D e s c r i p t i o n【R，0 L S i e me n s C o r p o r a t i o n，2 0 0 6 2 0 0 9 0 6-2 2 1 h t t p：WWW wi t n e t c n，i n d

34、e x O，mc 5 5，p d f，mc 5 55 6一h dv 0 3 0 3 b p d f 7】L i a n g Y C，C h a n g C H G P RS U s e r V i e w S y s t e m J T L T e c h n i c a l J o u r n a l，2 0 0 6，3 6(6)：6 2 7 6 5 4 8】王锐，雷金奎基于软核 Ni o s I I的 S O P C数据采集系统 的设计【J 1-计算机测量与控制，2 0 0 8，1 6(8)：2 2 2 5 作者简 介：陆健锋(1 9 8 5 一)，男，浙江省金华市人，在读 硕士研究生，研究方向为光通信、多通道数据采 集处理 e ma i l：l u j i a n f e n g 2 2 9 1 6 3 c o m 李晓峰(1 9 6 5 一)，男，四川省巴中市人，博士，教授，研究方向为空间光通信 胡 玮(1 9 5 1 一)，男，湖北省礼山市人，工程 师，研究方 向为光通信、机械设计等