一种基于SOC芯片的数据采集器系统设计

秦冲 邓道杰

摘要：對航空数据采集器进行优化设计，提出一种基于SOC芯片的数据采集系统设计方案。重点阐述了系统硬件结构组成，给出了1394功能模块、基板模块和PS电源模块的设计，同时对比了传统设计的不足和给出本设计的优点。经试验验证表明，该系统能够满足实时性要求，稳定性良好，可靠性较高。

关键词：数据采集器 SOC芯片 CAN总线 RS422总线

1 引言

在传统的航空数据采集器设计中，多采用模块化设计方案，将不同的功能单元设计为单独的模块，各功能模块之间通过母板上的局部总线接口，实现处理器模块和其他功能模块的访问连接。传统的设计方案采用标准模块化设计，实现了模块的通用性和复用性，但是其结果是数据采集器产品的尺寸大，重量大。在新一代飞机设计体系中，以小型化和轻型化为核心，提出了减重设计的新要求。本文提出一种基于SOC芯片设计方案，采用SOC芯片集成的功能单元进行设计，减少产品模块的组成，从而设计出满足小型化、轻型化要求的数据采集器。

2 数据采集器系统结构设计

数据采集系统架构框图如图1所示，该系统结构是以负责数据采集系统任务功能的处理器和输入输出逻辑控制的FPGA为核心，采用可编程SOC芯片，其内部集成ARM处理器硬核和可编程逻辑资源，通过片内AXI总线连接处理器硬核和可编程逻辑资源。每一路输入接口通过信号调理等预处理电路处理后，由可编程逻辑负责完成数据采集，处理器通过访问逻辑获取所有的底层采集数据结果，根据上位机数据传输协议要求，将这些采集数据进行打包处理，周期性通过1394总线发送给上位机;同时，数据采集器周期性从1394总线上获取总线数据，将该总线数据进行解析，将需要的输出的命令通过可编程逻辑输出到各个接口。

数据采集器内部设计了3个功能模块，组成整机产品的模块在功能上分为1394功能模块、基板模块和PS电源模块。

3 数据采集器硬件设计

3.1 1394功能模块

1394功能模块以实现处理器访问接口控制逻辑和1394协议的FPGA可编程逻辑芯片为核心，配备1394协议标准要求的链路层、物理层和接口变压器芯片电路，实现完整的1394总线系统接口到电气接口电路。

3.2 PS电源模块设计

电源模块以28V转5V、±15V功能的DC/DC模块为核心，并配备过压保护、浪涌保护功能电路，同时对输出的5V、±15V进行采集监控，当输出电流过大时，将关闭该电压的转换输出。

3.3基板模块设计

基板模块以可编程SOC芯片为核心，由处理器外围电路、CAN总线接口电路、RS422总线接口电路、模拟量采集电路、离散量采集电路组成。模块组成结构如图2所示。

处理器外围电路以SOC芯片为核心，配备相应的电源转换电路、时钟电路、复位电路、存储器电路和调试接口电路，该部分电路实现了处理器工作的最小系统，为基板模块的核心单元。

CAN/RS422总线电路实现数据采集器与外部设备之间的CAN/RS422总线通讯功能。传统的设计中，多采用总线协议芯片及CAN/RS422总线收发器芯片进行设计，该设计方法中处理器通过可编程逻辑实现对协议芯片的并行访问控制，协议芯片实现数据的串并转换和并串转换，通过收发器芯片转换为CAN/RS422标准差分信号，实现与外部设备的通讯功能。本设计中直接采用SOC芯片内部集成的CAN/RS422总线协议单元进行设计，相较于传统的设计方法，减少了电路的组成，提高了产品的集成度。

模拟量采集电路实现对外部模拟量输入信号的采集转换功能。传统的设计中，多采用专用的AD转换芯片和模拟量多路复用器芯片实现，同时AD转换芯片的转换控制、模拟量多路复用器的通道切换控制由处理器直接进行控制操作，降低了处理器的执行效率。本设计直接采用SOC芯片内部集成的ADC模块单元进行设计，芯片内部的可编程逻辑配置周期性控制模拟量多路复用器的通道切换及ADC的转换控制，将采集结果存入可编程逻辑内部寄存器中，采集转换过程中无需处理器参与，提高了处理器的执行效率，减少了电路的组成。

离散量采集电路实现对外部离散量输入信号的采集功能。传统的设计中，多采用电阻、电容、二极管、比较器等分立器件进行电路设计，在该设计方法中，电路接口特性固定，且占用FPGA引脚多。本设计中采用专用的多通道离散量集成芯片进行设计，该芯片具备SPI总线接口访问功能，各通道的接口特性可根据需要进行软件配置，提高了采集接口的通用性。同时该芯片尺寸小，配置电路简单，提高了产品的集成度。

4 总结

本文提出基于SOC芯片的数据采集器，集成处理器和逻辑运行功能，具有硬件组成少，可在不需要中央处理器即可完成数据的采集，且具备可扩展性，功能移植性好，同时具有较高的处理速率，控制周期短，可以满足航空领域中采集系统对精度和实时性的要求。

参考文献

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