基于SOPC的远程多通道数据采集系统设计.pdf

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第8卷第2期信息与电子工程Vo1．8．NO．22010年4月INFORMATIONANDELECTRONICENGINEERINGApr．，2010文章编号：1672-2892(2010)02—0227-04基于SOPC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610054)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、软硬件设计、NiosII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(GPS)模块和电荷耦合器件(CCD)模块；数据处理模块中采用ALTERA公司的EP3C25F324现场可编程门阵列(FPGA)芯片，具有片上可编程系统(soPc)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(GPRS)和有线RS232两种方式传输数据。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；NiosII处理器系统；片上可编程系统中图分类号：TN919．5；TP274．2文献标识码：ADesignoftheremotemuhi—channeldataacquisitionsystembasedonSOPCLUJian-feng”，LIXiao—feng，HUWei(1a．CollegeofPhysicalElectronics；lb．InstituteofAstronauticsAeronautics，UESTC，ChengduSichuan610054，China)Abstract：Thisstudydiscussedalowcost，portable，remotemulti·channeldataacquisitionsystemdesign，andintroducedthesystemstructure，softwareandhardwaredesignandNiosIIsystemmodulestructure，etc．Thedataacquisitionsystemcontainedsignalacquisitionmodule，dataprocessingmoduleanddatatransmissionmodule．Thesignalacquisitionmodulecontainedadataacquisitionmodulethatmeasuredsixmeteorologicalparameters-temperature，humidity，airpressure，rainfall，winddirectionandwindvelocity，aGlobalPositionSystem(GPS)moduleandaChargeCoupledDevice(CCD)module．FPGA(FieldProgrammableGateArray)chipEP3C25F324ofALTERAwasadoptedinthedataprocessingmodule，characterizedbyhighintegrationandflexibilityoftheSystemOnProgrammableChip(SOPC)．ThedatatransmissionmoduletransmitteddatabyusingtwowaysofGeneralPacketRadioService(GPRS)wirelessandRS232cable．Verifyingsimulationresultscompletelymetexpecteddesignrequirements．Keywords：dataacquisition；FieldProgrammableGateArray；NiosIIprocessorsystem；SystemOnProgrammableChip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。CCD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GPS定位、GPRS远程传输功能。本文基于SOPC技术在FPGA上实现远程多通道数据采集系统的各功能，采用ALTERA公司的第二代FPGA嵌入式处理器NiosII与高性能、低成本的Cyclone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：2009-08-05：修回日期：2010—01—22 228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、GPS定位数据、CCD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、GPS、CCD模块等等。数据处理模块是以FPGAFig．1Generalconfigurationofthesystem为核心的主控模块，驱动系统运行，负责数据其图1系统总体结构框图它扩展模块提供数据总线接口和控制接口。数据传输模块采用GPRS无线方式及RS232串行两种通信方式将数据发回监控中心。2系统设计1f2．1信号采集模块设计：CL———一RFINGP1014这部分需特别强调的有气象六要素采集与GPS—————～、r—一VANTI数据采集。其中气象六要素的采集，为了达到小型化、VCC便携的目的，本设计采用了温度、湿度、气压、风向、TXA风速和降水一体化设计方案【3】。其串口数据界面包括GNDRXA二二]SDI．12，RS232，RS485，本文中采用RS232输出数据至FPGA，无需外围电路。Fig．2HardwarediagramofGPSmoduleGPS模块数据接收硬件原理图如图2所示。图2GPS模块硬件原理图GPIO14管脚驱动LED用于判断GPS模块的工作状态，当模块初始化并在准备接收数据时，LED灯一直亮，当GPS模块处于跟踪模式时，LED灯闪烁。TXA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。RXA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FPGA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32Mflash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MC55或RS232将数据发送至终端。本数据采集系统的FPGA采用ALTERA公司的CycloneIII系列可编程逻辑器件EP3C25F324，由于这类器件用户可用的I／O端EI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)Cyclone1II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】。2I3数据传输模块GPRS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9600bit／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FPGA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FPGA通过它的通信端151使用一定的操作命令来传送数据。MC55模块有功能完备的系统接15，提供了标准的RS232串行接口，可以通过串行15使用AT命令完成对模块的操作。MC55模块内置了TCP／IP协议栈，由AT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TCP／IP和PPP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，FPGA的I／O口与MC55的IGT相连，用于启动MC55模块。启动模块时，模块的引脚IGT上必须有一个下拉脉冲且最少需要延时100ms，模块才能正常启动。启动后，模块引脚VDD电压从0V升到2．9V。可以依据引脚VDD的电压判断MC55模块是否已经正常启动，这里在VDD脚上接上LED便于观察。 第2期陆健锋等：基于SOPC的远程多通道数据采集系统设计229电路中由FPGA的I／O口提供IGT上的启动脉冲。需要特别注意的是：C—MC55模块启动后需要等待900ms才RTXD0EMERGOOFF—Jl，能正常使用串口。FPGA的TXD／RXDCIS0IGT与MC55的TXD／RXD相连，进行数据回RDISROD＼的输入输出。MC55的RINGO引脚用RING-0VDDDSRO于通知呼叫呼入，因此接FPGA的中断线，作为数据传输的中断信号。在串口通信时除使用TX，RX外，至少需要使斗——一SYNCⅣMⅡICCNP1lf：I：I用CTS和RTS硬件握手，以提高通信广_=——_]／1卜、EPP1IM。ardII的可靠性。MC55的串口0可支持自适EPNl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】。Fig．3HardwarediagramofGPRSEMERGOFF用于紧急关机。须使图3GPRS模块硬件原理用OpenDrain(漏极开路)或OpenCollector(集电极开路)电路驱动。保持低电平大于3．2S可紧急关机。电源VBATT+，要求3_3V～4-8V，通话时瞬态峰值电流2A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AT指令“ATASMSO”来关闭模块，同时必须监测模块VDD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。2．4NiosII系统模块结构NiosII系统模块：包含NiosII处理器、Avalon总线、并行输入／输出口(PIO)、异步收发器(UART)、定时器(Timer)、片上RAM，flash，LCD。控制程序由运行在NiosIICPU上的软件完成，负责对信号的采集，NiosII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Avalon总线。Avalon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SOPC。Avalon总线协议规定了主、从部件的端121连接方式和通信时序。按系统硬件规划，SOPCBuilder中的硬件配置如图4所示。2．5系统软件设计NiosII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，NiosII程序的任务是：在规定的周期内，FPGA通过UART接收信号采集模块Fig．4ModuleslruetureunderNiosIIsystem所采集到的数据，按照其固定输图4NiosII系统下模块结构出格式在FPGA内通过软件将其解包，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。FPGA对气象数据采集、GPS、CCD模块的控制首先从初始化开始，对其串口进行设置；然后是FPGA对气象数据采集、GPS、CCD模块的串行数据接收、整理和向FPGA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FPGA处理后，经GPRS发送到移动基站，通过其将数据放到公共网，终端可利用TCP／UDPSocket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。 230信息与电子工程第8卷实际接收得到的GPS数据：$GPRMC，022952．118<1>，A<2>，3040．6622<3>，N<4>，10406．0785<5>，E<6>，0．00<7>，，100609<8>，，，A'76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8h时，格式为hhmmss．ms；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ddmm．mmmm；4)标明南北半球，N为北半球，s为南半球；二叵][巫][叵]5)经度，格式为dddmm．mmmm；-：TcP§2~219717~7g6)标明东西半球，E为东半球，w为西半球；_：TcPa帅t-：UDPsv{7)地面上的速度，范围为0．0到999．9；．：UDP[3ie~【UDPGI叫plr数据接收丑提示窗口一一⋯一一一⋯一一一一⋯⋯一⋯8)日期，格式为ddmmyy。面i：_————————————————————————一1jJe：(3229~11066lo。1呲07日50p_d：Q加利用ModelSim软件的波形仿真功能对采集到的经I0：022953．o。OIa#aldo：a040．6∞6I岫-do‘o607a6Ip．0∞I1处理器处理后的输出数据进行仿真。给该模块提供5Oe．022斟．00o66蔫lo1峨7870p·-d．∞lfI6：陀2蛹000I甜30．a66∞Io1呲啪sp∞dn加MHz系统时钟clk，并发出复位脉冲reset。仿真将输入Ie：吐2蠕000I胡3啪66∞l01呲嗍sl~td：n00的气象、GPS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，l一些塑l__一IL——————⋯一⋯一．9——_。。一～一————一——一——===：==3系统达到设计要求，性能稳定。{广显示+六进制值l扳计疆霉一一一～⋯⋯一一⋯———：===：=jFig．5Useterminalsoftwaretoreceivedata4结论图5终端软件接收到数据SOPC集成了硬核或软核CPU、DSP、锁相环(PLL)、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(soc)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NiosII的SOPC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GPS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，2007．[2】林鹏，姚耐军，郝庭柱．基于SOPC数据采集系统的研究[J1．天津理工大学学报，2006，22(3)：39—41．【3】Vaisala．VaisalaWeatherTransmitterWXT520UsersGuide[R／OL]．Finland：Vaisalaoyj，2008[2009-06-22]．http-．／／www．vmsMa．com／files／WXT520UserGuideinEnglish．pdf．——_——．．【4】HOLUXTechnologyCorporation．HOLUXGR-89GPSEngineBoardUser’sGuide[R]．VersionA．HOLUXTechnologyInc．，2006．【5】陈松柏，周进．基于DSP+FPGA的多目标实时检测系统设计【J】．信息与电子工程，2007，5(1)：22—25．[6】SiemensCorporationAG．MC55／56HardwareInterfaceDescription【R，0L]．SiemensCorporation，2006[2009—06-221．http：／／WWW．wit．net．cn，indexO，mc55，pdf，mc5556v0303b．pdf．—一hd—[7】LiangYC，ChangCH．GPRSUserViewSystem[J]．TLTechnicalJournal，2006，36(6)：627—654．[8】王锐，雷金奎．基于软核NiosII的SOPC数据采集系统的设计【J1-计算机测量与控制，2008，16(8)：22—25．作者简介：陆健锋(1985一)，男，浙江省金华市人，在读李晓峰(1965一)，男，四川省巴中市人，博士，硕士研究生，研究方向为光通信、多通道数据采教授，研究方向为空间光通信．集处理．email：lujianfeng229@163．com．胡玮(1951一)，男，湖北省礼山市人，工程师，研究方向为光通信、机械设计等．