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              基于单片机与FPGA器件EP2C35实现微加速度计测量系统的设计

              电子设计 ? 2020-08-20 09:37 ? 次阅读

              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。

              基于单片机与FPGA器件EP2C35实现微加速度计测量系统的设计

              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??橥?。

              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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              单片微型计算机简称单片机, 是典型的嵌入式微控制器(Microcontroller Unit ),常....
              发表于 09-02 17:50 ? 57次 阅读
              使用单片机设计电子时钟论文的资料免费下载

              使用单片机制作的PLC电路原理图免费下载

              本文档的主要内容详细介绍的是使用单片机制作的PLC电路原理图免费下载。
              发表于 09-02 17:50 ? 76次 阅读
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              使用FPGA和verilog语言设计跑马灯控制器的论文说明

              在当今的社会,科技迅速发展,跑马灯在我们生活中有着很多的应用,跑马灯控制器在我门日常生活中有重要的运....
              发表于 09-02 17:23 ? 74次 阅读
              使用FPGA和verilog语言设计跑马灯控制器的论文说明

              利用FPGA设计软件开放性性能优化MAX+PLUS II仿真软件性能

              举一个例子:对一个基于FPGA设计的雷达信号处理机,我们关心其在给定发现概率和虚警率的前提下的最小可....
              的头像 电子设计 发表于 09-02 17:15 ? 323次 阅读
              利用FPGA设计软件开放性性能优化MAX+PLUS II仿真软件性能

              0基础学单片机要多久_学好单片机好找工作吗

              学习单片机就是学习单片机的硬件结构,内部资源与外设的应用。在C语言中(极少量的汇编)掌握各种功能的初....
              发表于 09-02 17:06 ? 178次 阅读
              0基础学单片机要多久_学好单片机好找工作吗

              如何自己制作一个单片机开发板

              之所以做这个的初衷是应为自己买的51 开发板已经下载不了程序了,所以想做一个下载程序的最小系统,可是....
              发表于 09-02 16:43 ? 69次 阅读
              如何自己制作一个单片机开发板

              基于单片机的指纹识别电子密码锁设计

              本设计是基于STC89C52单片机的指纹识别设计,采用AS608指纹??樽鑫衅?,LCD1602显....
              的头像 我快闭嘴 发表于 09-02 16:32 ? 674次 阅读
              基于单片机的指纹识别电子密码锁设计

              介绍一下单片机中的汇编和C语言

              单片机的C语言是一种编译型程序设计语言,它兼顾了多种高级语言的特点,并具备汇编语言的功能。c语言具有....
              的头像 张飞实战电子 发表于 09-02 16:22 ? 186次 阅读
              介绍一下单片机中的汇编和C语言

              AL5524 IO如何扩展单片机的IO引脚数量

              在AL5224芯片的内部框图中,主要包含四个部分:地址生成器,IIC控制器,寄存器与控制器,普通IO....
              的头像 张飞实战电子 发表于 09-02 14:42 ? 549次 阅读
              AL5524 IO如何扩展单片机的IO引脚数量

              最常见的Arduino板以及如何区分它们

              市面上可供选择的Arduino板实在太多了,撇开原厂那十几个不说,光某宝上多如牛毛的各式Arduin....
              的头像 玩转单片机 发表于 09-02 11:50 ? 256次 阅读
              最常见的Arduino板以及如何区分它们

              利用单片机的I/O口通过软件模拟SPI总线的实现方法

              读操作:AT89C2051首先通过P1.0口发送1位起始位(1),2位操作码(10),6位被读的数据....
              的头像 玩转单片机 发表于 09-02 11:23 ? 137次 阅读
              利用单片机的I/O口通过软件模拟SPI总线的实现方法

              基于TDR技术的阻抗测量系统的设计和应用研究

              宽带阻抗受控系统的实现给中心电子构建部件——印刷电路板(PCB)的设计师、制造商和质量保证管理人员提....
              发表于 09-02 09:36 ? 62次 阅读
              基于TDR技术的阻抗测量系统的设计和应用研究

              FPGA IO的基本结构及默认状态

              在进行FPGA硬件设计时,引脚分配是非常重要的一个环节,特别是在硬件电路上需要与其他芯片通行的引脚。....
              的头像 玩转单片机 发表于 09-02 09:20 ? 246次 阅读
              FPGA IO的基本结构及默认状态

              FPGA设计与验证

              该实验箱包含两部分,一部分为系统底板,包含主要的功能扩展;另一部分是包含CPLD或FPGA器件的子板....
              发表于 09-01 16:46 ? 38次 阅读
              FPGA设计与验证

              单片机C语言和C语言为什么有差异?

              许多小伙伴在学完C语言后想入门单片机,但学着学着发现明明都是C语言,为什么单片机C语言和我当初学的C....
              发表于 09-01 16:39 ? 138次 阅读
              单片机C语言和C语言为什么有差异?

              单片机:ROM和RAM的区别及联系

              单片机的一个主要作用就是数据信息的处理,而在处理数据的过程中,需要一些“容器”来存放这些数据。这就好....
              发表于 09-01 16:22 ? 106次 阅读
              单片机:ROM和RAM的区别及联系

              8051单片机和AVR与ARM的关系讲解

              今天有位爱好者朋友希望我可以推出AVR和ARM的视频教程,我说ARM的视频可以录录看,不过AVR已经....
              发表于 09-01 16:02 ? 87次 阅读
              8051单片机和AVR与ARM的关系讲解

              使用FPGA芯片和EDA设计VGA显示器控制电路的论文说明

              VGA( 视频图形阵列)作为一种标准的显示接口得到广泛的应用。利用FPGA芯片和EDA 设计方法,可....
              发表于 09-01 16:02 ? 41次 阅读
              使用FPGA芯片和EDA设计VGA显示器控制电路的论文说明

              教你快速理解嵌入式和单片机的区别和联系

              什么是嵌入式?什么是单片机?嵌入式和单片机有什么区别和联系呢?本文针对这些问题整理了一篇文章,希望对....
              发表于 09-01 15:48 ? 111次 阅读
              教你快速理解嵌入式和单片机的区别和联系

              详谈单片机如何执行指令

              单片机执行程序的过程,实际上就是执行我们所编制程序的过程。即逐条指令的过程。计算机每执行一条指令都可....
              发表于 09-01 15:45 ? 71次 阅读
              详谈单片机如何执行指令

              fpga设计实战:复位电路仿真设计

              最近看advanced fpga 以及fpga设计实战演练中有讲到复位电路的设计,才知道复位电路有这....
              发表于 09-01 15:37 ? 173次 阅读
              fpga设计实战:复位电路仿真设计

              秦龙MSP430单片机C语言应用程序设计实例精解的实例程序免费下载

              本文档的主要内容详细介绍的是秦龙MSP430单片机C语言应用程序设计实例精解的实例程序免费下载。
              发表于 09-01 08:00 ? 36次 阅读
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              TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

              TMP411设备是一个带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监视器。远程温度传感器,二极管连接的晶体管通常是低成本,NPN或PNP型晶体管或二极管,是微控制器,微处理器或FPGA的组成部分。 远程精度为±1 °C适用于多个设备制造商,无需校准。双线串行接口接受SMBus写字节,读字节,发送字节和接收字节命令,以设置报警阈值和读取温度数据。 TMP411器件中包含的功能包括:串联电阻取消,可编程非理想因子,可编程分辨率,可编程阈值限制,用户定义的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大温度监视器,宽远程温度测量范围(高达150°C),二极管故障检测和温度警报功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封装。 特性 ±1°C远程二极管传感器 ±1°C本地温度传感器 可编程非理想因素 串联电阻取消 警报功能 系统校准的偏移寄存器 与ADT7461和ADM1032兼容的引脚和寄存器 可编程分辨率:9至12位 可编程阈值限...
              发表于 09-19 16:35 ? 198次 阅读
              TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

              TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远程和本地温度传感器

              TMP468器件是一款使用双线制SMBus或I 2 C兼容接口的多区域高精度低功耗温度传感器。除了本地温度外,还可以同时监控多达八个连接远程二极管的温度区域。聚合系统中的温度测量可通过缩小?;て荡嵘阅?,并且可以降低电路板复杂程度。典型用例为监测服务器和电信设备等复杂系统中不同处理器(如MCU,GPU和FPGA)的温度。该器件将诸如串联电阻抵消,可编程非理想性因子,可编程偏移和可编程温度限值等高级特性完美结合,提供了一套精度和抗扰度更高且稳健耐用的温度监控解决方案。 八个远程通道(以及本地通道)均可独立编程,设定两个在测量位置的相应温度超出对应值时触发的阈值。此外,还可通过可编程迟滞设置避免阈值持续切换。 TMP468器件可提供高测量精度(0.75°C)和测量分辨率(0.0 625°C)。该器件还支持低电压轨(1.7V至3.6V)和通用双线制接口,采用高空间利用率的小型封装(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在计算系统中轻松集成。远程结支持-55°C至+ 150°C的温度范围。 特性 8通道远程二极管温度传感器精度:±0.75&...
              发表于 09-18 16:05 ? 132次 阅读
              TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远程和本地温度传感器
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