楊小平1，李永紅1，劉志剛1,2，嚴洪立1，李率真1
（1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.杭州旗捷科技有限公司，浙江 杭州310000）
摘要：提出了一種以FPGA和ARM處理器為核心的嵌入式多通道高速采集及脈沖提取系統(tǒng)設(shè)計的新方法。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于電力設(shè)備局部放電檢測，監(jiān)測電力設(shè)備運行情況。系統(tǒng)主要實現(xiàn)用3種工作模式(正常工作模式、長記錄模式和觸發(fā)模式)實時采集、處理電信號，并根據(jù)采樣后得到的數(shù)據(jù)和脈沖波形來判斷被測信號是否正常工作。整個采集系統(tǒng)可實現(xiàn)100 MS/s的高速采樣，具有穩(wěn)定性高、實時性強、易于擴展、便于攜帶等特點。
關(guān)鍵詞：多通道高速采集；脈沖提取；FPGA
0引言
數(shù)據(jù)采集，尤其是高速數(shù)據(jù)采集，在工業(yè)自動化控制、醫(yī)療器械、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測和軍事監(jiān)控等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通常是以單片機或者DSP為核心控制器，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的采集。隨著信息科技的發(fā)展，大眾對信息數(shù)據(jù)的實時性、穩(wěn)定性等要求越來越高。而單片機的時鐘頻率較低、速度較慢并且軟件采用順序?qū)崿F(xiàn)模式，從而使得數(shù)據(jù)采集速度低，進而影響整個系統(tǒng)的效率。雖然DSP有較高的運算處理速度，然而它很難完成對復(fù)雜外圍器件的控制。而FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）有單片機和DSP難以超越的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA時鐘頻率高、內(nèi)部延時小、集成度高、全部控制邏輯由硬件完成、速度快、效率高［1］。
考慮到FPGA的諸多優(yōu)勢，本文提出了一種以FPGA和ARM處理器為核心的嵌入式多通道高速采集及脈沖提取系統(tǒng)設(shè)計方案。系統(tǒng)有觸摸屏LCD和顯示器兩種顯示和下發(fā)配置命令方式。將該方案應(yīng)用于電力設(shè)備局部放電檢測，通過采集和提取有效脈沖來實時監(jiān)測電力設(shè)備的工作狀態(tài)。這一設(shè)計對安全用電及電力行業(yè)有重大的實用價值。
1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于FPGA+ARM架構(gòu)。FPGA（XC6SLX75）外圍電路主要包括一個四通道100 MS/s采樣率、串行差分輸入輸出的AD（ADS6424），一片ARM（AM3359）控制器和一片DDR2（MT47H128M16）128 MB地址空間的存儲器，用于存儲采樣數(shù)據(jù)［2］。如圖1所示。
圖1中，S1~S4為4路模擬信號輸入端，為了得到較準確的脈沖信號，本設(shè)計使S1~S3作為信號輸入端，S4作為噪聲信號輸入端，通過前3路和第4路的比較進而有效地濾除噪聲。TTL信號作為相位信息，F(xiàn)PGA需要檢測是否有該同步信號并通知ARM。A/D轉(zhuǎn)換器前端的信號調(diào)理用來實現(xiàn)對輸入模擬信號的放大、衰減、濾波及輸入阻抗匹配，從而達到AD將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的要求。系統(tǒng)工作過程為：首先PC下發(fā)命令指令經(jīng)ARM送到FPGA，配置FPGA的工作模式、采樣率等；其次，AD將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送給FPGA，F(xiàn)PGA經(jīng)過運算處理提取有效脈沖信號存儲到DDR2中，然后向ARM發(fā)中斷命令，ARM通過GPMC總線提取DDR2中的數(shù)據(jù)；最后ARM通過網(wǎng)絡(luò)或USB將數(shù)據(jù)傳輸給PC顯示［3］。
2方案實現(xiàn)
2.1FPGA設(shè)計
FPGA設(shè)計流程：系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA首先初始化配置ADS6424芯片，然后將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由串行轉(zhuǎn)為并行再經(jīng)過相應(yīng)的算法處理得到有效的脈沖，將得到的脈沖存儲在DDR2中，再通過GPMC總線接口送給ARM。ARM控制器負責(zé)與用戶上位機程序通過網(wǎng)口或USB進行通信，給FPGA下達控制指令。根據(jù)上述流程以及FPGA要實現(xiàn)的功能，整個FPGA邏輯設(shè)計可劃分為5個模塊，分別為ADC初始化模塊Ad_init；ADC數(shù)據(jù)接收模塊Data_rec；ARM接口模塊 Gpmc_inst；數(shù)據(jù)處理模塊Data_prc；數(shù)據(jù)存儲模塊Data_str。如圖2所示。
2.1.1ADC初始化模塊Ad_init
ADC初始化模塊用于對ADS6424芯片進行復(fù)位及初始化配置來滿足AD正常工作，該模塊只在上電時或者系統(tǒng)復(fù)位時調(diào)用一次，并與Data_rec模塊協(xié)調(diào)工作用于600 Mb/s串行數(shù)據(jù)的低壓差分信號（LVDS）數(shù)據(jù)對位。
2.1.2數(shù)據(jù)輸入模塊Data_rec
數(shù)據(jù)輸入模塊接收ADC輸入的串行數(shù)據(jù)和時鐘，并將4路AD差分串行數(shù)據(jù)經(jīng)SERDES(串并轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)發(fā)送給Data_prc模塊。Data_rec模塊與Data_prc模塊之間有FIFO用于同步AD采樣的100 MHz時鐘和FPGA內(nèi)部處理數(shù)據(jù)的100 MHz時鐘。
2.1.3數(shù)據(jù)處理模塊Data_prc
數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)部包含3個子模塊，分別用于三種工作狀態(tài)，各種工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)和控制信號獨立，接口根據(jù)工作狀態(tài)選擇異步開關(guān)進行切換。
（1）正常工作狀態(tài)。正常工作情況下抗干擾脈沖提取算法如下：
①根據(jù)設(shè)置的閾值做背景噪聲的濾除;
②根據(jù)與噪聲通道的比較判斷是有用信號還是噪聲;
③判斷是否是方波信號，如果是方波信號則去除;
④將提取出的有用脈沖段及相位信息上傳給ARM。
具體說明：根據(jù)設(shè)置的閾值得到脈沖1～3，對得到的脈沖段與噪聲通道做比較，只比較同相位的值，如果信號通道的值大于噪聲通道的值，則認為是有用信號，否則是噪聲，需要被濾除。如圖3所示，脈沖3的信號通道的值小于噪聲通道，需要被濾除。如果脈沖是方波，如脈沖2，也要被濾除。對提取出的有用的脈沖段如脈沖1，在傳輸至ARM時需要做如下處理：從第一個過閾值的點向前取55個點，向后取200個點，共取256個點，這樣保證取出來的脈沖段是一個完整的脈沖段［45］。
（2）長時間記錄。系統(tǒng)啟動后,根據(jù)輸入的時鐘和寫使能寫DDR2,將對應(yīng)通道的AD采集數(shù)據(jù)輸入到FPGA，并對數(shù)據(jù)點數(shù)進行計數(shù)，達到30兆個數(shù)據(jù)點則停止存儲，并向ARM發(fā)送中斷信號。長記錄模式根據(jù)設(shè)置的采樣率和采樣時間，將采集到的點不做任何處理上傳給ARM，再通過ARM經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)上傳至PC，PC設(shè)置相關(guān)通道的閾值。長記錄采集模式的目的是得到各通道的背景噪聲值，方便設(shè)置閾值。
（3）觸發(fā)記錄。系統(tǒng)啟動后,根據(jù)輸入的時鐘和寫使能寫DDR2,達到一個時間長度則進行循環(huán)存儲。將輸入的數(shù)據(jù)進行逐點判斷，當(dāng)達到觸發(fā)條件時,計算出讀取DDR2的首地址，并根據(jù)剩余采樣點數(shù)進行計數(shù)，達到采樣點數(shù)后則停止存儲,并向ARM發(fā)送中斷信號。
2.1.4指令解析模塊Gpmc_inst
采用100 MHz時鐘對ARM的Gpmc接口進行鎖存，解析ARM的輸入指令，并根據(jù)讀信號和地址信號返回寄存器的狀態(tài)值，或者DDR2存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)。通過這個模塊與ARM進行通信。
2.1.5數(shù)據(jù)存儲模塊Data_str
該模塊負責(zé)DDR2存儲器的讀寫，采用MPMC的IP核，通過NPI接口進行控制，將輸入的16 bit數(shù)據(jù)字拼接成64 bit寬度寫入DDR2存儲器，輸出時根據(jù)讀使能信號取出DDR2中的數(shù)據(jù)，并將64 bit的數(shù)據(jù)拆成4個16 bit數(shù)據(jù)，按照順序輸出。數(shù)據(jù)存儲模塊沒有地址輸入接口，其內(nèi)部只是簡單的地址遞加，當(dāng)復(fù)位后，地址歸零。
2.2ARM設(shè)計
在該設(shè)計中ARM主要有兩個作用，一是擔(dān)當(dāng)中間件，承上啟下，一方面接收PC命令，協(xié)議解析后配置給FPGA，另一方面將FPGA傳過來的數(shù)據(jù)，打包上傳給PC。傳輸支持USB和網(wǎng)絡(luò)兩種方式，USB包和UDP包采用相同的應(yīng)用層協(xié)議。另一個是在不用PC的情況下，ARM作為上位機通過智能觸摸屏LCD顯示器下發(fā)命令配置FPGA，且FPGA也將采集到的數(shù)據(jù)和有效脈沖上傳給ARM，做相應(yīng)的處理后通過LCD呈現(xiàn)。
2.2.1硬件部分
ARM部分結(jié)構(gòu)如圖4所示。本設(shè)計采用兩種ARM啟動方式，一種是從SD卡啟動，另一種是從NandFlash啟動，兩種方式可通過撥碼開關(guān)切換。GPMC接口主要是連接FPGA和ARM，使其順利通信；DDR2起緩存數(shù)據(jù)作用；NandFlash用于存儲系統(tǒng)及應(yīng)用文件等；ARM支持網(wǎng)口和USB1兩種方式與PC通信；USB2用于連接U盤將數(shù)據(jù)導(dǎo)出；觸摸屏LCD主要用于顯示波形和下發(fā)指令；預(yù)留RS485、RS422用于后期擴展功能［6］。
2.2.2應(yīng)用部分
用QT(跨平臺的C++應(yīng)用程序開發(fā)框架)開發(fā)設(shè)計GUI(圖形用戶界面),界面主要包括配置FPGA各種工作模式、設(shè)置采樣參數(shù)以及顯示有效脈沖等。如圖5所示。
3結(jié)論
本文給出了一種以FPGA+ARM處理器為核心的嵌入式多通道高速采集及脈沖提取系統(tǒng)設(shè)計的新方法，詳細闡述了系統(tǒng)設(shè)計流程和工作模式。經(jīng)過長時間的測試和檢測，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速多通道采集及脈沖的提取。此設(shè)備可以應(yīng)用于多種相關(guān)數(shù)據(jù)采集及分析的場合，有觸摸屏LCD和顯示器兩種顯示方式，具有穩(wěn)定性高、實時性強、易于擴展、便于攜帶的特點。目前，該設(shè)備已應(yīng)用于電力設(shè)備局部放電檢測,可以實現(xiàn)二維圖形顯示，后續(xù)將開發(fā)三維圖形顯示應(yīng)用。
參考文獻
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