一種基于SOC芯片的數據采集器系統設計

秦沖 鄧道杰

摘要：對航空數據采集器進行優化設計，提出一種基于SOC芯片的數據采集系統設計方案。重點闡述了系統硬件結構組成，給出了1394功能模塊、基板模塊和PS電源模塊的設計，同時對比了傳統設計的不足和給出本設計的優點。經試驗驗證表明，該系統能夠滿足實時性要求，穩定性良好，可靠性較高。

關鍵詞：數據采集器 SOC芯片 CAN總線 RS422總線

1 引言

在傳統的航空數據采集器設計中，多采用模塊化設計方案，將不同的功能單元設計為單獨的模塊，各功能模塊之間通過母板上的局部總線接口，實現處理器模塊和其他功能模塊的訪問連接。傳統的設計方案采用標準模塊化設計，實現了模塊的通用性和復用性，但是其結果是數據采集器產品的尺寸大，重量大。在新一代飛機設計體系中，以小型化和輕型化為核心，提出了減重設計的新要求。本文提出一種基于SOC芯片設計方案，采用SOC芯片集成的功能單元進行設計，減少產品模塊的組成，從而設計出滿足小型化、輕型化要求的數據采集器。

2 數據采集器系統結構設計

數據采集系統架構框圖如圖1所示，該系統結構是以負責數據采集系統任務功能的處理器和輸入輸出邏輯控制的FPGA為核心，采用可編程SOC芯片，其內部集成ARM處理器硬核和可編程邏輯資源，通過片內AXI總線連接處理器硬核和可編程邏輯資源。每一路輸入接口通過信號調理等預處理電路處理后，由可編程邏輯負責完成數據采集，處理器通過訪問邏輯獲取所有的底層采集數據結果，根據上位機數據傳輸協議要求，將這些采集數據進行打包處理，周期性通過1394總線發送給上位機;同時，數據采集器周期性從1394總線上獲取總線數據，將該總線數據進行解析，將需要的輸出的命令通過可編程邏輯輸出到各個接口。

數據采集器內部設計了3個功能模塊，組成整機產品的模塊在功能上分為1394功能模塊、基板模塊和PS電源模塊。

3 數據采集器硬件設計

3.1 1394功能模塊

1394功能模塊以實現處理器訪問接口控制邏輯和1394協議的FPGA可編程邏輯芯片為核心，配備1394協議標準要求的鏈路層、物理層和接口變壓器芯片電路，實現完整的1394總線系統接口到電氣接口電路。

3.2 PS電源模塊設計

電源模塊以28V轉5V、±15V功能的DC/DC模塊為核心，并配備過壓保護、浪涌保護功能電路，同時對輸出的5V、±15V進行采集監控，當輸出電流過大時，將關閉該電壓的轉換輸出。

3.3基板模塊設計

基板模塊以可編程SOC芯片為核心，由處理器外圍電路、CAN總線接口電路、RS422總線接口電路、模擬量采集電路、離散量采集電路組成。模塊組成結構如圖2所示。

處理器外圍電路以SOC芯片為核心，配備相應的電源轉換電路、時鐘電路、復位電路、存儲器電路和調試接口電路，該部分電路實現了處理器工作的最小系統，為基板模塊的核心單元。

CAN/RS422總線電路實現數據采集器與外部設備之間的CAN/RS422總線通訊功能。傳統的設計中，多采用總線協議芯片及CAN/RS422總線收發器芯片進行設計，該設計方法中處理器通過可編程邏輯實現對協議芯片的并行訪問控制，協議芯片實現數據的串并轉換和并串轉換，通過收發器芯片轉換為CAN/RS422標準差分信號，實現與外部設備的通訊功能。本設計中直接采用SOC芯片內部集成的CAN/RS422總線協議單元進行設計，相較于傳統的設計方法，減少了電路的組成，提高了產品的集成度。

模擬量采集電路實現對外部模擬量輸入信號的采集轉換功能。傳統的設計中，多采用專用的AD轉換芯片和模擬量多路復用器芯片實現，同時AD轉換芯片的轉換控制、模擬量多路復用器的通道切換控制由處理器直接進行控制操作，降低了處理器的執行效率。本設計直接采用SOC芯片內部集成的ADC模塊單元進行設計，芯片內部的可編程邏輯配置周期性控制模擬量多路復用器的通道切換及ADC的轉換控制，將采集結果存入可編程邏輯內部寄存器中，采集轉換過程中無需處理器參與，提高了處理器的執行效率，減少了電路的組成。

離散量采集電路實現對外部離散量輸入信號的采集功能。傳統的設計中，多采用電阻、電容、二極管、比較器等分立器件進行電路設計，在該設計方法中，電路接口特性固定，且占用FPGA引腳多。本設計中采用專用的多通道離散量集成芯片進行設計，該芯片具備SPI總線接口訪問功能，各通道的接口特性可根據需要進行軟件配置，提高了采集接口的通用性。同時該芯片尺寸小，配置電路簡單，提高了產品的集成度。

4 總結

本文提出基于SOC芯片的數據采集器，集成處理器和邏輯運行功能，具有硬件組成少，可在不需要中央處理器即可完成數據的采集，且具備可擴展性，功能移植性好，同時具有較高的處理速率，控制周期短，可以滿足航空領域中采集系統對精度和實時性的要求。

參考文獻

[1]趙炯，楊天豪，肖杰，熊肖磊.通用嵌入式遠程數據采集器研究與設計[J].10.16086 /j.cnki.issn 1000-0380.2018060021.

[2]陳柯勛，王曉毅，薛輝.基于FPGA的數據采集器設計及可靠性分析[J].1672-3791（2017）08（c）-0007-02.

[3]ZYNQ-7000 All Programmable Soc Technical Reference Manual[Z].