基于单片机与FPGA器件EP2C35实现微加速度计测量系统的设计
引言
加速度计是一种应用十分广泛的惯性传感器，它可以用来测量运动系统的加速度。目前的加速度计大多采用微机电技术（mems）进行设计和制造的微型加速度计，由于采用了微机电技术，其设计尺寸大大缩小，一个mems加速度计只有指甲盖的一小部分，mems加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。
随着微加速度计的应用越来越广泛，对于微加速度计的数据信号采集和存储变得极为重要。传统的数据采集方法多数是用单片机完成的，其编程简单、控制灵活，但缺点是控制周期长、速度慢，特别是对高速转换的数据来说，单片机的慢速度极大地限制了数据传输速度。而fpga（现场可编程门阵列）具有单片机无法比拟的优势。fpga时钟频率高，内部延时小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快、效率高，适于大数据量的高速传输控制。在高速数据采集方面，fpga有单片机无法比拟的优势，然而单片机的接口丰富，数据处理能力强，便于完成数据的显示和存储等操作。
综合单片机与fpga的优点，这里介绍一种基于arm和fpga的微加速度计数据采集存储系统，结合mxr6150g／m加速度计传感器和tlc0820-a／d转换芯片，提供了一种配置灵活、通用性强的数据采集方案。
1、系统整体设计方案
图1是数据采集系统的总体结构框图，该系统主要由双轴加速度计、a／d转换器、fpga和arm处理器四大部分组成。双轴加速度计输出两路模拟信号，分别代表z轴与y轴的加速度值，通过a／d转换芯片把输入的两路模拟信号转换为8位的数字信号，fpga接收来自a／d转换芯片的数字信号，并对数字信号进行处理，处理后的数据经过fpga中的fifo存储器缓存后由arm处理器采取中断方式接收采集，采集到的数据可以通过串口通信在pc机上实时显示，也可以通过ide接口存储到大容量硬盘。
2、系统硬件设计与实现
2．1 mxr6150g／m加速度计传感器
mxr6150g／m是无锡美新半导体公司生产的双轴加速度计传感器，它采用标准的亚微米cmos工艺制造，可以测量从-5g～+5g（g为重力加速度）范围内的加速度信号，该加速度计是利用两路模拟电压反映加速度值的大小，当加速度计静止，加速度值为0时输出电压为1．50 v，电压输出灵敏度为150 mv／g。图2为此加速度计的外观顶视图，表1为加速度计的引脚描述，其中引脚7和引脚6分别输出x轴和y轴的加速度分量。实际加速度的值需要将x轴与y轴加速度的值进行合成得到，这可利用fpga的并行计算处理来完成。
2．2 8位a／d转换芯片tlc0820
tlc0820是德州仪器公司（ti）推出的，采用先进lincmos工艺制造的a／d转换器，它由两个4位的闪速（flash）转换器，一个4位的数／模转换器，一个计算误差放大器，控制逻辑电路和结果锁存电路组成。它采用8位并行输出，并且不需要外部时钟和振荡元件，广泛应用于高速数据采集系统、工业控制和工厂自动化系统，其封装引脚如图3所示。引脚功能描述如下：anlg in为模拟输入；为片选，低有效；do～d3，d4～d7为三态数据输出；为中断输出端，表示转换结束；mode为方式选择输入；为溢出标志；为读输人端；ref-为参考电压下限值；ref+为参考电压上限值；vcc为电源电压；为写输入／读状态输出。
2．3 altera-fpga与arm处理器
该系统的fpga采用altera fpga公司的cycloneⅱ系列的ep2c35实现，ep2c35提供多达33 216个逻辑单元（le），35个18×18位乘法器483 840 b的内部ram块，专用外部存储器接口电路，4个锁相环（pll）和高速差分i／o等功能。
该系统中采用的arm处理器是philips公司的lpc2210，是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16／32位arm7tdmi-s cpu的微控制器。 lpc2210的144脚封装、极低的功耗、两个32位定时器、八路lo位adc，pwm输出以及多达九个外部中断使其特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机等。通过配置，lpc2210最多可提供76个gpio。由于内置了宽范围的串行通信接口，其也非常适合于通信网关、协议转换器以及其他各种类型的应用。
3、 采集系统整体实施方案
3．1 fpga控制a／d芯片进行加速度计数据采集
该加速度计是利用两路模拟电压输出来反映加速度值的大小，当加速度值为o时输出电压为1．50 v，电压输出灵敏度为150 mv／g，a／d转换器模拟输入电压范围为vcc±0．1 v，低于vref- +（1／2）lsb或高于vref+ -（1／2）lsb的模拟输入电压分别转换为00000000或1111111，系统中所加电压分别为vcc=vref+=5 v，vref-=gnd=o v。tlc0820可通过mode的设置工作在只读和读写两种方式。当mode为低时，转换器为只读方式。在这种方式中，作为输出，且作为准备输出端；同时。当为低时，亦为低，表明器件忙，转换器在的下降沿开始转换，经过不到2．5μs转换完成，此时下降．为高阻，数据输出也由高阻变为有效的数据端，当数据读出后，变高，返回高，数据输出端返回到高阻态。当mode为高时，转换器为读／写方式，作为写输出端。当和为低时，转换器开始测量输入信号，大约600 ns后返回高，转换器完成转换，在读写方式中，在上升沿开始转换。该实验采用读写方式来控制a／d芯片来读取加速度计的值，所需的控制信号由fpga输出，相关的逻辑控制采用verilog硬件描述语言进行编写，图4为quartusⅱ中fpga连接a／d芯片与arm系统的顶层模块图。
由a／d转换输出转换后的8位数字信号，可以从quartusⅱ内置的逻辑分析仪中读取，图5为通过quartusⅱ软件内置逻辑分析仪查看读取数据值的截图。从图5中可以看出在读写方式中，在wr／rdy的上升沿开始启动转换，到int的下降沿转换完成，转换时间可通过时间标尺计算出来，为24×40=960 ns，之后就可以通过rd的上升沿开始读取转换后的数据到数据总线中，如图5中的xdd以及ydd。因为单片机的处理速度一般都低于a／d转换芯片的速度，故将xdd与ydd的数据存储到fpga中的fifo中，fifo便起到数据缓冲的作用，以备接下来单片机对数据进行读取。
3．2 arm系统接收fpga数据
图6为fpga与arm相连接部分的传输接口框图。arm系统主要控制数据采集的启动和采集结束后对数据的显示和存储，在数据采集的过程中，arm处理器系统读取fpga中的数据，实际上是读取fifo中的数据。fifo的容量可以通过软件进行设置，它有两个状态显示信号，分别为alful和empty，alful是指fifo接近满，当alful从低电平变为高电平后，arm单片机系统就可以发送rdfifo信号来读取fifo中的数据输出端口的数据，当fifo中的empty信号从低电平变为高电平，表明fifo中已无数据可读，arm单片机就开始等待alful的跳变进行下一次的读取。
3．3 加速度数据显示和存储
由arm系统采集到的数据可通过串口线发送到上位机进行实时显示，也可以通过模拟ide通信协议储存到ide硬盘中。lpc2210通过串口线与上位机进行通信主要是应用arm芯片lpc2210中的通用异步接收／发送装置uart0，而使用lpc2210的通用可编程i／o口，可以模拟产生ide硬盘的读写时序，实现对存储设备的读写操作。这样可以实现加速度数据的显示和存储。
4、 结语
这里介绍一种mems器件微加速度计的数据采集设计方案，结合当前应用广泛的处理芯片arm和fpga，给出了一种配置灵活、通用性强的数据采集方案。实验中可准确采集美新加速度计mxr6150g／m的加速度信号，采集到的信号既可以在上位机实时显示，又可以存储在ide接口硬盘中，达到了数据显示和存储的目的。
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