一种基于SOPC的控制装置数据采集信号处理接口设计

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摘要:针对粉状物料运输车智能卸料控制装置对信号采集的需要,介绍一种基于sopc技术的数据采集接口设计方法。该接口使用串行AD变换芯片,利用VHDL语言和FPGA产生数据采集所需要的控制信号并实现对数据的处理,通过内部总线与SOPC智能控制模块、人机交互模块实现数据交换。

关键词: SOPC技术;AD采样;接口电路

中图分类号:TP336文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)10-2533-01

A Design Based SOPC-control for Data Acquisition Signal Processing Interface

XIANG Rong, QIN Yan-zhi, JIANG Cun-bo, CHEN Jun-da, ZHANG Shu-zhen

(Information & Control Engineering College, GuiLin University of Science and Technology, GuiLin 541004, China)

Abstract: Nowdays the transport of the powder material is controled by SCM,but the hardware and software design is too complex so a design based on SOPC technology is proposed.It is set AD sampling, switching value, the control of the keyboard and LCD in one.It has some advantages such as flexible design,cut, expanded, upgrade online.The flexible circuit of AD sampling interface makes the transport of the powder material practicability.

Key words: technology of SOPC; AD sample; interface circuit

对于粉粒状物料的运输,当运达目的地后,需要将运输车料仓中的粉粒状物料卸出并装入到目的储料仓中。卸料转储过程需要监测气压,并依据气压值及当时卸料过程所处的状态,反复多次操作卸料阀开启或关闭,其卸料过程主要由手动操作完成,工作环境恶劣、劳动强度大、操作复杂且存在不安全因素。使用单片机的卸料自动控制方法部分解决了上述问题,但由于控制系统硬件和软件复杂,因而存在系统可靠性低和维护困难的缺点。本文就是基于这个问题,利用可编程控制芯片作为一种特殊的嵌入式微处理器系统构成了卸料过程智能控制器,该控制器融合了SOC和FPGA各自的优点,并具备软硬件在系统可升级,可裁剪,可扩充,可升级的功能,除了可以按规定的卸料流程自动完成卸料过程控制外,还可在运输过程中监测料仓的状态,提高运输的安全性。

1 SOPC控制装置总体结构

整个控制装置针对粉状物料运输车卸料的操作要求对操作类型及执行条件进行分类,制定了用硬件描述语言和原理图方式实现的卸料过程控制,确定满足该流程需要的SOPC系统资源构成和数据通路,并用CPLD/FPGA器件实现所需要的功能。首先是对IP核功能模块的划分,然后进行具体模块的设计。整个控制装置结构如图1所示。虚线框内为AD接口模块,SOPC控制模块,人机交互SOPC模块,这三个独立的SOPC模块由一片可编程控制器实现,模块间通过内部总线连接,构成一个完整的控制系统。SOPC控制模块控制开关量输入与输出的隔离与驱动;人机交互模块用于实现LCD的驱动和数据显示以及键盘的控制;AD接口控制模块产生AD采样所需的时钟信号和控制信号。可编程控制器可从AD读取数据,并进行数据处理,将计算所得的结果在LCD上进行显示。本文主要介绍AD芯片与可编程逻辑器件的接口设计。

1.1 AD接口SOPC模块

系统是通过串行接口与外部AD连接实现对气压信号的采样,气压的检测是本系统的关键所在,要实现高速、精准的数据采集,就必须有高效而灵活的接口控制,其AD接口SOPC模块的组成如图2所示。

1)AD控制接口由:①接口选择逻辑和接口信号逻辑电路、②运算器电路、③总线宽度控制逻辑、④寄存器组、⑤滤波算法逻辑等组成;

2)使用平均值滤波算法,AD0~AD3存放前四点采样值,每次采样,先进行移位处理,AD0AD1AD2AD3,原AD3移出队列丢弃,新的AD值送AD0,利用运算器实现S=∑ADk(k=0,1,2,3)运算,通过将S错2位传送到寄存器RAD实现平均值运算,RAD保存的AD值供SOPC控制器其它功能模块读取使用;

3)由DW1,DW0选择总线宽度,可以选择8位、12位、16位、24位AD芯片,为了避免求AD∑溢出,内部总线比AD位数多2位,除寄存器AD∑外,对寄存器读写位数与总线宽度匹配,读写AD∑的位数比总线宽度多2位,总线宽度最大24位。

4)接口信号逻辑电路可以选择SPI接口,IIC接口,单总线接口,支持算选择总线宽度位数传送,将接口信号处理后,将AD转换结果按(2)所述方式送AD0寄存器。

2 数据采集流程

在数据采集系统中,上电复位后,首先初始化全部寄存器,然后依据DW1,DW0确定总线宽度,锁存总线宽度控制信号,在下一个时钟周期来临时依据FS2,FS1,FS0确定串行接口控制信号,从而启动AD配置与初始化,完成数据采集和滤波过程。 图3为本数据采集单元控制流程图。图中Txx为时序编号,TR0~TR2为复位所需三个时钟周期。TI0~TIm为外部所选AD配置和初始化所需要的时钟。T0~Tn+2为采样控制周期所需的n+3个时序信号,每个时钟周期传送1位二进制信号。

3 结束语

该文提出的基于SOPC控制系统的数据采集接口设计,利用SOPC技术通过单片CPLD/FPGA器件来实现单片机硬件和软件的功能,不仅具有单片机控制系统的优点,并还具有电路简单、系统可靠性高的特点。同时利用SOPC技术的数据采集接口可以达到较高的数据采集和数据传输速度。

参考文献:

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[2] 胡向峰,王黎明.基于SOPC技术的高速数据采集系统[J].微电子学与计算机,2009(6):63-64.

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