隨著人們對(duì)高空的興趣發(fā)展和研究需要，越來越多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)被科研人員搬到了空中進(jìn)行，氣球探空和無人機(jī)實(shí)驗(yàn)是比較典型的方法。這些科學(xué)實(shí)驗(yàn)往往需要在一定的實(shí)驗(yàn)條件到達(dá)時(shí)觸發(fā)某特定實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而對(duì)發(fā)生時(shí)間非常短促且不具備可重復(fù)再現(xiàn)性的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采集。日前，筆者參與的項(xiàng)目中需要完成的任務(wù)是：通過無線通信實(shí)現(xiàn)對(duì)高空實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行控制，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察分析(其中的實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)通過GPS接收機(jī)，紅外虛擬邏輯分析儀等設(shè)備實(shí)時(shí)采集)，待實(shí)驗(yàn)到達(dá)觸發(fā)條件時(shí)，通過手動(dòng)(或自動(dòng)可選)的方法實(shí)施觸發(fā)，再對(duì)觸發(fā)后的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳回地面PC進(jìn)行后續(xù)的分析處理。該項(xiàng)目采用ARM和FPGA分別作為主從處理器設(shè)計(jì)嵌入式采集系統(tǒng)，采用多通道A／D并行采樣實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過基于串口的無線數(shù)傳模塊與地面實(shí)時(shí)通信。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，ARM采用Samsung公司基于ARM920T的S3C2410，其主要技術(shù)指標(biāo)如：支持32 b ARM指令集和16 b Thumb指令集；支持32 b的高速AMBA總線接口；帶有MMU(內(nèi)存管理單元)，可以進(jìn)行Linux操作系統(tǒng)的移植；MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；采用五級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，獨(dú)立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力；支持TFT的LCD控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路帶PWM的Timer、8路10位ADC、觸摸屏接口、I2C總線接口，以及2個(gè)USB主設(shè)備接口和1個(gè)USB從設(shè)備接口等豐富的外圍設(shè)備和接口。FPGA采用AItera公司StratixⅡ系列的EP2S15器件，EP2S15現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列系列速度快容量高，它采用1．2 V，90 nm全銅層SRAM工藝和創(chuàng)新的適應(yīng)邏輯模塊(ALM)結(jié)構(gòu)，有最大化的性能，器件密度可達(dá)到15 600等效邏輯元(LE)，能提供419 Kb片內(nèi)TriMatrix存儲(chǔ)器，多達(dá)12個(gè)DSP區(qū)塊有48(18 b×18 b)乘法器，用來實(shí)現(xiàn)高性能濾波器和其他DSP功能，支持各種高速外接存儲(chǔ)器接口，支持各種標(biāo)準(zhǔn)的I／O，高速差分I／O，具有豐富的外部資源以及支持多種高性能標(biāo)準(zhǔn)。
在該系統(tǒng)中，ARM主要負(fù)責(zé)核心處理和控制，總線實(shí)現(xiàn)ARM與FPGA之間的通信，存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，其中FLASH存儲(chǔ)程序和文件，SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)，ARM通過GPIO連接實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)繼電器、觸發(fā)設(shè)備、輸出電壓控制設(shè)備、以及特定設(shè)備采樣A／D并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過FPGA擴(kuò)展RS 232串口分時(shí)控制和讀取GPS接收機(jī)、紅外虛擬邏輯分析儀等設(shè)備數(shù)據(jù)，通過總線連接FPGA并控制FPGA動(dòng)作來啟動(dòng)和完成數(shù)據(jù)采集，通過RS232通信接口負(fù)責(zé)與地面PC的交互。本系統(tǒng)充分發(fā)揮了ARM芯片的強(qiáng)大處理能力和FPGA的高速并行能力，成功實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?br /> ARM和FPGA的總線接口如圖2所示。