基于ARM平臺的FIFO接口設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

徐 菲，羅明璋，王軍民

（長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州434023）

傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)采用前端采集后經(jīng)由串口傳輸給PC機(jī)的采集模式，因采集傳輸速率有限，無法滿足測控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。另外，PC機(jī)功耗高、體積大，難以適應(yīng)野外施工需求［1－2］。為此，筆者基于ARM平臺進(jìn)行了FIFO接口設(shè)計(jì)。

1 FIFO接口電路設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)線部分

對于傳輸通道來說，采集卡發(fā)送數(shù)據(jù)，處理器接收數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)總線寬度應(yīng)保持一致。C8051F060使用的是8位數(shù)據(jù)總線，IDT7208使用的數(shù)據(jù)總線是9位FIFO，S3C6410使用32位數(shù)據(jù)總線，因此系統(tǒng)的傳輸通道每次傳輸8位數(shù)據(jù)［2］。作為FIFO數(shù)據(jù)輸入端，C8051F060的外部數(shù)據(jù)總線接入到IDT7208的數(shù)據(jù)輸入總線，而FIFO輸出數(shù)據(jù)給ARM，則IDT7208的數(shù)據(jù)輸出總線接S3C6410的數(shù)據(jù)總線的低8位LDATA0～LDATA7［3］。

1.2 控制線部分

由FIFO的異步時(shí)鐘先入先出結(jié)構(gòu)及IDT7208的讀寫時(shí)序圖（見圖1（a））可知，系統(tǒng)中ARM和單片機(jī)都不需要使用地址線選擇數(shù)據(jù)，只需對FIFO的讀控制（／W）和寫控制（／R）分別給予讀時(shí)鐘和寫時(shí)鐘即可。鑒于ARM內(nèi)部片地址選址機(jī)制，可將ARM的外部存儲器片選信號（／n CS1）與外部數(shù)據(jù)讀控制信號（／Ln OE）進(jìn)行邏輯或后作為FIFO的讀控制（／R），這樣ARM只要訪問0X08000000～0x10000000之間的任意地址都能訪問到FIFO［4］。

圖1 IDT7208讀寫時(shí)序圖及復(fù)位時(shí)序圖

C8051F060如果要將采樣所得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地送入FIFO，必須使用DMA（Direct Memor y Access，直接內(nèi)存存取）方式。將C8051F060中可DMA訪問的外部數(shù)據(jù)總線（P7）接IDT7208數(shù)據(jù)輸入總線（D0～D7），然后讓單片機(jī)的P0.5輸出與外部寫控制線（／WE－P4.7）進(jìn)行邏輯或后將其連接至FIFO的寫控制（／W）。

根據(jù)IDT7208芯片手冊描述，IDT7208在重新上電及出現(xiàn)后需要進(jìn)行復(fù)位，因此將C8051F060的P0.6與IDT7208的／RS相連用以復(fù)位FIFO（見圖1（b））。

1.3 狀態(tài)線部分

IDT7208提供了3個(gè)狀態(tài)信號，即空信號（／EF）、半滿信號（／HF）和滿信號（／FF），將這3個(gè)狀態(tài)信號分別與單片機(jī)和ARM相連，用以觸發(fā)外部中斷及狀態(tài)監(jiān)測。

2 FIFO接口軟件設(shè)計(jì)

2.1 采集卡的FIFO接口軟件設(shè)計(jì)

在C8051F060開始采集前，通過程序?qū)⑵鋬?nèi)部ADC輸出配置成DMA模式。采樣時(shí)，使單片機(jī)的P0.5引腳輸出為低電平，此時(shí)ADC完成采集后DMA會將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)放入FIFO的D0～D7，與此同時(shí)將從／WE腳輸出下降沿。因單片機(jī)的P0.5腳與／WE腳通過一個(gè)或門連接到FIFO的寫信號（／W），這樣此時(shí)FIFO的寫信號（／W）也為下降沿，D0～D7上的數(shù)據(jù)將寫入FIFO。這樣ADC每完成一次采集點(diǎn)的采樣，DMA都會把當(dāng)次采集到的數(shù)據(jù)分成高、低字節(jié)按順序分2次存入FIFO。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，C8051F060需要將IDT7208先復(fù)位，這樣可以更充分地保證FIFO的讀、寫指針的穩(wěn)定。根據(jù)IDT7208的復(fù)位時(shí)序圖，首先將C8051F060的P0.6腳配置成通用輸出口，然后給IDT7208的／RS引腳輸入一個(gè)不小于25ns的低脈沖，即在C8051F060的P0.6腳輸出一個(gè)低脈沖，并在復(fù)位完成后延時(shí)10ns再開始進(jìn)行采集。C8051F060的軟件流程如圖2所示。

2.2 ARM的FIFO接口軟件設(shè)計(jì)

ARM外部存儲器片選信號（n CS1）和外部數(shù)據(jù)讀控制信號（／Ln OE）進(jìn)行邏輯或后與FIFO的讀信號（／R）連接在一起，這樣ARM每執(zhí)行一次外部存儲器I／O讀操作，F(xiàn)IFO的／R腳便會接收到一個(gè)負(fù)脈沖，此時(shí)ARM讀取到FIFO的一個(gè)數(shù)據(jù)。

IDT7208的數(shù)據(jù)最大存儲容量為64 Kb，在C8051F060完成16K次采集轉(zhuǎn)換后，IDT7208已經(jīng)存入一半的數(shù)據(jù)，此時(shí)FIFO存儲器半滿信號標(biāo)志（／HF）輸出低電平（在不到半滿時(shí)輸出高電平）。S3C6410的外部中斷EINT4已經(jīng)連接到了FIFO存儲器的／HF信號，利用其由高到低的變化產(chǎn)生的中斷可以說明數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。當(dāng)ARM接收到／HF發(fā)出的中斷后，ARM開始連續(xù)執(zhí)行32 K次I／O讀操作，數(shù)據(jù)便依次從IDT7208送入S3C6410中了。S3C6410的軟件流程如圖3所示。

圖2 C8051F060的軟件流程圖

圖3 S3C6410的軟件流程圖

3 實(shí)例應(yīng)用

將上述設(shè)計(jì)應(yīng)用于基于聲頻應(yīng)力波無損檢測法的錨桿錨固無損檢測系統(tǒng)中。在該系統(tǒng)中，聲波探頭的接收頻率一般為20 Hz～20 KHz，根據(jù)采樣定理，采樣率最好大于探頭接收頻率的5～8倍，因此測量時(shí)設(shè)置 C8051F060采樣率為500 KHz［5］。

圖4 儀器工作界面

當(dāng)被測錨桿長度為10 m，檢測信號長度取前8個(gè)周期的情況下，每次采集需要采樣16 K個(gè)點(diǎn)，因此每次采樣有256 Kb數(shù)據(jù)量，并在32 ms內(nèi)完成采樣及傳輸，此時(shí)傳輸率達(dá)到8 Mb／s。

根據(jù)文獻(xiàn)［6］（JGJ／T182－2009）要求，每根錨桿測量必須超過3次，試驗(yàn)中采用每根錨桿測量5次，并將每次采集到的波形按不同顏色疊加顯示在同一屏幕上，這樣可以更直觀地顯示測量的質(zhì)量。

圖4所示為一次野外測量的儀器工作界面，實(shí)際錨桿長度為3.5 m，5次測量結(jié)果都為3.56096 m，誤差為1.7%，在文獻(xiàn)［6］所要求的5%誤差標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。儀器每次進(jìn)行采集時(shí)反應(yīng)迅速（即測即顯示），極大地提高了工作效率。

［1］羅明璋，徐菲，王軍民，等 .錨桿錨固質(zhì)量檢測儀應(yīng)用軟件在Ar m－Linux下的實(shí)現(xiàn)［J］.長江大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版），2008，5（3）：199－201.

［2］朱曉鵬.ARM＋FPGA的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30（13）：3088－3090.

［3］金明 .FIFO芯片在高速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，1998，28（3）：61－62.

［4］羅明璋，王軍民，徐菲，等 .聲頻應(yīng)力波實(shí)時(shí)檢測分析儀［J］.振動(dòng)、測試與診斷，2012，32（2）：292－295.

［5］王軍民，陳義群，陳華 .高速公路錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)研究［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2004，19（4）：782－785.

［6］JGJ／T2009，錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)規(guī)程［S］.