1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

為實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程、野外無(wú)人看守設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，以32位RISC嵌入式為平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。我們采用ARM+FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了低功耗(<1.5w)、高速(最快高達(dá)500K的采樣率)、高精度(最高達(dá)到24位)、多通道同步或異步的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存、網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或監(jiān)控。應(yīng)用地震、氣象等觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

基于ARM+FPGA的多通道大容量同步數(shù)據(jù)采集方案特點(diǎn)如下：

① 采用ARM+FPGA高集成度的緊湊架構(gòu)設(shè)計(jì)，板載：ARM控制器、FPGA邏輯編程電路、存儲(chǔ)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電源電路等，同時(shí)系統(tǒng)具有豐富的外圍控制接口和通信接口，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示，支持RS232或高速以太網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

② 系統(tǒng)具備3路24位同步數(shù)據(jù)采集通道，采用3個(gè)獨(dú)立的24位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，配合FPGA邏輯編程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度、高速同步數(shù)據(jù)采集;16路24位異步串行數(shù)據(jù)采集通道，采用單個(gè)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，通過(guò)FPGA邏輯編程控制實(shí)現(xiàn)多通道輪循采集;

③ 系統(tǒng)采用GPS授時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步技術(shù)方案，以GPS的PPS信號(hào)為基準(zhǔn)來(lái)校準(zhǔn)本地時(shí)鐘。

④ 系統(tǒng)采用大規(guī)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(tǒng)功耗<1.5W。

2 系統(tǒng)功能

2.1 系統(tǒng)硬件功能

◎ CPU：Atmel AT91SAM9263，內(nèi)嵌一個(gè)基于200MIPS的ARM926EJ-Sarm 內(nèi)核，

具有DSP擴(kuò)展指令，JAVA硬件加速，外設(shè)資源豐富。

◎ FPGA：板載FPGA邏輯編程器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D的數(shù)據(jù)采集、控制。

◎ 64MB SDRAM，用于程序運(yùn)行、數(shù)據(jù)空間和緩存。

◎ 8M Data Flash，內(nèi)部存放系統(tǒng)啟動(dòng)代碼;64M Nand Flash，存放用戶(hù)數(shù)據(jù)。

◎ 板載RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，后備鋰電池，帶掉電保存功能;

◎ 系統(tǒng)復(fù)位與看門(mén)狗定時(shí)器。

◎ 10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。

◎ 1個(gè)DEBUG調(diào)試接口，可實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊，2個(gè)RS232串行接口。

◎ 3路24位A/D同步采樣通道，輸入信號(hào)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CF卡接口，最大擴(kuò)展32G，支持熱插拔。

◎ 2個(gè)USB2.0主接口。

◎ 支持128*64點(diǎn)陣屏。

◎ 支持GPS模塊，以GPS的PPS信號(hào)為基準(zhǔn)來(lái)校準(zhǔn)本地時(shí)鐘。

◎ 外接DC 12V/2A電源，正常狀態(tài)下功耗<1.5W。

2.2 系統(tǒng)軟件功能

◎ 移植操作系統(tǒng)：Linux Kernel 2.6;

◎ 驅(qū)動(dòng)及其測(cè)試程序：開(kāi)發(fā)LCD、CF、串口、RTC、網(wǎng)絡(luò)接口以及FPGA與CPU的讀寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序、驅(qū)動(dòng)程序測(cè)試程序;

◎ 多種協(xié)議支持：TCP/IP，UDP，Telnet，F(xiàn)TP，HTTP，DHCP，SMTP，SNMP，ICMP，IGMP，NTP，ARP，PPP，PPPoE，CHAP/PAP，SSL，NFS，…

◎ 遠(yuǎn)程監(jiān)控：FTP網(wǎng)絡(luò)獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)，設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù);

◎ 數(shù)據(jù)采集：3通道24位A/D信號(hào)同步采集，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控;

◎ CF卡存儲(chǔ)：系統(tǒng)支持連續(xù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，容量可擴(kuò)展;

◎ 校時(shí)方式：GPS實(shí)時(shí)對(duì)鐘。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性取決于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器、檢波器等探測(cè)終端。

恒頤同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可全天候記錄、存儲(chǔ)探測(cè)傳感器或檢波器采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，保證各種參數(shù)狀態(tài)實(shí)時(shí)被監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)支持基于Internet/CDMA/GPRS的網(wǎng)絡(luò)通訊和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理功能，包括數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)查詢(xún)、狀態(tài)查詢(xún)、數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)波形監(jiān)視等。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖所示：

系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 應(yīng)用場(chǎng)合

◎ 天然氣、石油、煤田、地?zé)岬鹊刭|(zhì)勘探領(lǐng)域

◎ 觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域(地震波、頻譜分析)