基于網絡的高速同步24位數據采集控制系統

關鍵詞：ARM+FPGA，低功耗，高速，高精度

1 系統設計思想

為實現對遠程、野外無人看守設備的遠程監控，以32位RISC嵌入式為平臺的網絡化數據采集系統已經廣泛應用到各個領域。我們采用ARM+FPGA架構設計、開發了低功耗（<1.5w）、高速（最快高達500K的采樣率）、高精度（最高達到24位）、多通道同步或異步的數據采集系統，該系統能夠將采集的數據實時保存、網絡發送或監控。應用地震、氣象等觀測技術領域。

系統結構示意如圖所示：

圖1 系統結構示意圖

基于ARM+FPGA的多通道大容量同步數據采集方案特點如下：

① 采用ARM+FPGA高集成度的緊湊架構設計，板載：ARM控制器、FPGA邏輯編程電路、存儲電路、A/D轉換電路、電源電路等，同時系統具有豐富的外圍控制接口和通信接口，可以實現數據的存儲、顯示，支持RS232或高速以太網絡的實時數據傳輸。

② 系統具備3路24位同步數據采集通道，采用3個獨立的24位A/D模數轉換器件，配合FPGA邏輯編程控制來實現高精度、高速同步數據采集；16路24位異步串行數據采集通道，采用單個A/D模數轉換器件，通過FPGA邏輯編程控制實現多通道輪循采集；

③ 系統采用GPS授時技術實現同步技術方案，以GPS的PPS信號為基準來校準本地時鐘。

④ 系統采用大規模低功耗的集成電路，工作電壓為1.8V和3.3V，工作在正常條件下（GPS空閑，3路同步采集），系統功耗<1.5W。

2 系統功能

2.1 系統硬件功能

◎ CPU：Atmel AT91SAM9263，內嵌一個基于200MIPS的ARM926EJ-Sarm 內核， 具有DSP擴展指令，JAVA硬件加速，外設資源豐富。

◎ FPGA：板載FPGA邏輯編程器件，實現對A/D的數據采集、控制。

◎ 64MB SDRAM，用于程序運行、數據空間和緩存。

◎ 8M Data Flash，內部存放系統啟動代碼；64M Nand Flash，存放用戶數據。

◎ 板載RTC實時時鐘，后備鋰電池，帶掉電保存功能；

◎ 系統復位與看門狗定時器。

◎ 10M/100M自適應以太網接口。

◎ 1個DEBUG調試接口，可實現與PC機的通訊，2個RS232串行接口。

◎ 3路24位A/D同步采樣通道，輸入信號為-5-+5V，2K bps。

◎ 16路12位A/D串行采樣通道，輸入模擬電壓范圍0-5V/4-20mA。

◎ 一個標準的CF卡接口，最大擴展32G，支持熱插拔。

◎ 2個USB2.0主接口。

◎ 支持128*64點陣屏。

◎ 支持GPS模塊，以GPS的PPS信號為基準來校準本地時鐘。

◎ 外接DC 12V/2A電源，正常狀態下功耗<1.5W。

2.2 系統軟件功能

◎ 移植操作系統：Linux Kernel 2.6；

◎ 驅動及其測試程序：開發LCD、CF、串口、RTC、網絡接口以及FPGA與CPU的讀寫驅動程序、驅動程序測試程序；

◎ 多種協議支持：TCP/IP，UDP，Telnet，FTP，HTTP，DHCP，SMTP，SNMP，ICMP，IGMP，NTP，ARP，PPP，PPPoE，CHAP/PAP，SSL，NFS，…

◎ 遠程監控：FTP網絡獲取系統數據，設置系統工作參數；

◎ 數據采集：3通道24位A/D信號同步采集，自動實現對各種環境參數的監控；

◎ CF卡存儲：系統支持連續的數據存儲，容量可擴展；

◎ 校時方式：GPS實時對鐘。

3 系統架構

觀測數據的可靠性取決于數據采集系統和傳感器、檢波器等探測終端。

恒頤同步數據采集系統可全天候記錄、存儲探測傳感器或檢波器采集數據并進行A/D轉換，保證各種參數狀態實時被監測。

系統支持基于Internet /CDMA/GPRS的網絡通訊和數據傳輸，實現遠程管理功能，包括數據連續傳輸、參數設置、參數查詢、狀態查詢、數據管理、實時波形監視等。

系統架構如圖所示：

系統架構圖

4 應用場合

◎ 天然氣、石油、煤田、地熱等地質勘探領域

◎ 觀測技術領域（地震波、頻譜分析）