基于网络的高速同步24位数据采集控制系统

关键词：ARM+FPGA，低功耗，高速，高精度

1  系统设计思想

为实现对远程、野外无人看守设备的远程监控，以32位RISC嵌入式为平台的网络化数据采集系统已经广泛应用到各个领域。我们采用ARM+FPGA架构设计、开发了低功耗（<1.5w）、高速（最快高达500K的采样率）、高精度（最高达到24位）、多通道同步或异步的数据采集系统，该系统能够将采集的数据实时保存、网络发送或监控。应用地震、气象等观测技术领域。

系统结构示意如图所示：

图1  系统结构示意图

基于ARM+FPGA的多通道大容量同步数据采集方案特点如下：

    ① 采用ARM+FPGA高集成度的紧凑架构设计，板载：ARM控制器、FPGA逻辑编程电路、存储电路、A/D转换电路、电源电路等，同时系统具有丰富的外围控制接口和通信接口，可以实现数据的存储、显示，支持RS232或高速以太网络的实时数据传输。

② 系统具备3路24位同步数据采集通道，采用3个独立的24位A/D模数转换器件，配合FPGA逻辑编程控制来实现高精度、高速同步数据采集；16路24位异步串行数据采集通道，采用单个A/D模数转换器件，通过FPGA逻辑编程控制实现多通道轮循采集；

③ 系统采用GPS授时技术实现同步技术方案，以GPS的PPS信号为基准来校准本地时钟。

④ 系统采用大规模低功耗的集成电路，工作电压为1.8V和3.3V，工作在正常条件下（GPS空闲，3路同步采集），系统功耗<1.5W。

2  系统功能

2.1 系统硬件功能

◎ CPU：Atmel  AT91SAM9263，内嵌一个基于200MIPS的ARM926EJ-Sarm 内核， 具有DSP扩展指令，JAVA硬件加速，外设资源丰富。

◎ FPGA：板载FPGA逻辑编程器件，实现对A/D的数据采集、控制。

◎ 64MB SDRAM，用于程序运行、数据空间和缓存。

◎ 8M Data Flash，内部存放系统启动代码；64M Nand Flash，存放用户数据。

◎ 板载RTC实时时钟，后备锂电池，带掉电保存功能；

◎ 系统复位与看门狗定时器。

◎ 10M/100M自适应以太网接口。

◎ 1个DEBUG调试接口，可实现与PC机的通讯，2个RS232串行接口。

◎ 3路24位A/D同步采样通道，输入信号为-5-+5V，2K bps。

◎ 16路12位A/D串行采样通道，输入模拟电压范围0-5V/4-20mA。

◎ 一个标准的CF卡接口，最大扩展32G，支持热插拔。

◎ 2个USB2.0主接口。

◎ 支持128*64点阵屏。

◎ 支持GPS模块，以GPS的PPS信号为基准来校准本地时钟。

◎ 外接DC 12V/2A电源，正常状态下功耗<1.5W。

2.2  系统软件功能

◎ 移植操作系统：Linux Kernel 2.6；

◎ 驱动及其测试程序：开发LCD、CF、串口、RTC、网络接口以及FPGA与CPU的读写驱动程序、驱动程序测试程序；

◎ 多种协议支持：TCP/IP，UDP，Telnet，FTP，HTTP，DHCP，SMTP，SNMP，ICMP，IGMP，NTP，ARP，PPP，PPPoE，CHAP/PAP，SSL，NFS，…

◎ 远程监控：FTP网络获取系统数据，设置系统工作参数；

◎ 数据采集：3通道24位A/D信号同步采集，自动实现对各种环境参数的监控；

◎ CF卡存储：系统支持连续的数据存储，容量可扩展；

◎ 校时方式：GPS实时对钟。

3  系统架构

观测数据的可靠性取决于数据采集系统和传感器、检波器等探测终端。

恒颐同步数据采集系统可全天候记录、存储探测传感器或检波器采集数据并进行A/D转换，保证各种参数状态实时被监测。

系统支持基于Internet /CDMA/GPRS的网络通讯和数据传输，实现远程管理功能，包括数据连续传输、参数设置、参数查询、状态查询、数据管理、实时波形监视等。

系统架构如图所示：

系统架构图

4  应用场合

◎ 天然气、石油、煤田、地热等地质勘探领域

◎ 观测技术领域（地震波、频谱分析）