1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想
為實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程、野外無人看守設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，以32位RISC嵌入式為平臺的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。我們采用ARM+FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)、開發(fā)了低功耗(<1.5w)、高速(最快高達(dá)500K的采樣率)、高精度(最高達(dá)到24位)、多通道同步或異步的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存、網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或監(jiān)控。應(yīng)用地震、氣象等觀測技術(shù)領(lǐng)域。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖所示：
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
基于ARM+FPGA的多通道大容量同步數(shù)據(jù)采集方案特點(diǎn)如下：
① 采用ARM+FPGA高集成度的緊湊架構(gòu)設(shè)計(jì)，板載：ARM控制器、FPGA邏輯編程電路、存儲電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電源電路等，同時(shí)系統(tǒng)具有豐富的外圍控制接口和通信接口，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、顯示，支持RS232或高速以太網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。
② 系統(tǒng)具備3路24位同步數(shù)據(jù)采集通道，采用3個(gè)獨(dú)立的24位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，配合FPGA邏輯編程控制來實(shí)現(xiàn)高精度、高速同步數(shù)據(jù)采集;16路24位異步串行數(shù)據(jù)采集通道，采用單個(gè)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，通過FPGA邏輯編程控制實(shí)現(xiàn)多通道輪循采集;
③ 系統(tǒng)采用GPS授時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步技術(shù)方案，以GPS的PPS信號為基準(zhǔn)來校準(zhǔn)本地時(shí)鐘。
④ 系統(tǒng)采用大規(guī)模低功耗的集成電路，工作電壓為1.8V和3.3V，工作在正常條件下(GPS空閑，3路同步采集)，系統(tǒng)功耗<1.5W。
2 系統(tǒng)功能
2.1 系統(tǒng)硬件功能
◎ CPU：Atmel AT91SAM9263，內(nèi)嵌一個(gè)基于200MIPS的ARM926EJ-Sarm 內(nèi)核，
具有DSP擴(kuò)展指令，JAVA硬件加速，外設(shè)資源豐富。
◎ FPGA：板載FPGA邏輯編程器件，實(shí)現(xiàn)對A/D的數(shù)據(jù)采集、控制。
◎ 64MB SDRAM，用于程序運(yùn)行、數(shù)據(jù)空間和緩存。
◎ 8M Data Flash，內(nèi)部存放系統(tǒng)啟動(dòng)代碼;64M Nand Flash，存放用戶數(shù)據(jù)。
◎ 板載RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，后備鋰電池，帶掉電保存功能;
◎ 系統(tǒng)復(fù)位與看門狗定時(shí)器。
◎ 10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。
◎ 1個(gè)DEBUG調(diào)試接口，可實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊，2個(gè)RS232串行接口。
◎ 3路24位A/D同步采樣通道，輸入信號為-5-+5V，2K bps。
◎ 16路12位A/D串行采樣通道，輸入模擬電壓范圍0-5V/4-20mA。
◎ 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CF卡接口，最大擴(kuò)展32G，支持熱插拔。
◎ 2個(gè)USB2.0主接口。
◎ 支持128*64點(diǎn)陣屏。
◎ 支持GPS模塊，以GPS的PPS信號為基準(zhǔn)來校準(zhǔn)本地時(shí)鐘。
◎ 外接DC 12V/2A電源，正常狀態(tài)下功耗<1.5W。
2.2 系統(tǒng)軟件功能
◎ 移植操作系統(tǒng)：Linux Kernel 2.6;
◎ 驅(qū)動(dòng)及其測試程序：開發(fā)LCD、CF、串口、RTC、網(wǎng)絡(luò)接口以及FPGA與CPU的讀寫驅(qū)動(dòng)程序、驅(qū)動(dòng)程序測試程序;
◎ 多種協(xié)議支持：TCP/IP，UDP，Telnet，F(xiàn)TP，HTTP，DHCP，SMTP，SNMP，ICMP，IGMP，NTP，ARP，PPP，PPPoE，CHAP/PAP，SSL，NFS，…
◎ 遠(yuǎn)程監(jiān)控：FTP網(wǎng)絡(luò)獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)，設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù);
◎ 數(shù)據(jù)采集：3通道24位A/D信號同步采集，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對各種環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控;
◎ CF卡存儲：系統(tǒng)支持連續(xù)的數(shù)據(jù)存儲，容量可擴(kuò)展;
◎ 校時(shí)方式：GPS實(shí)時(shí)對鐘。
3 系統(tǒng)架構(gòu)
觀測數(shù)據(jù)的可靠性取決于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器、檢波器等探測終端。
恒頤同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可全天候記錄、存儲探測傳感器或檢波器采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，保證各種參數(shù)狀態(tài)實(shí)時(shí)被監(jiān)測。
系統(tǒng)支持基于Internet/CDMA/GPRS的網(wǎng)絡(luò)通訊和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理功能，包括數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)查詢、狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)波形監(jiān)視等。
系統(tǒng)架構(gòu)如圖所示：
系統(tǒng)架構(gòu)圖
4 應(yīng)用場合
◎ 天然氣、石油、煤田、地?zé)岬鹊刭|(zhì)勘探領(lǐng)域
◎ 觀測技術(shù)領(lǐng)域(地震波、頻譜分析)
