基于 SoPC 的震动信号采集设备设计方法

在工程结构测试和分析中，震动信号的采集是一项基础性的工作，其采集的速度、精度和稳定度对测试的结果分析有重要的意义。震动数据分析技术的不断提高要求速度更快、精度更高、功能更强、成本更低的数据采集系统。AD7329恰好满足这些要求，它集成了可编程输入范围切换矩阵、高精度基准源和高性能A/D转换单元于一体，而Nios Ⅱ嵌入式软核CPU具有数据吞吐率高、配置灵活、可升级性强等特点，是一款性价比很高的微控制器，结合两者并通过高速SPI总线进行通信，构成了高速、高精度震动信号采集设备。

SoPC与Nios Ⅱ嵌入式系统简介

SoPC（System On Programmable Chip，可编程的片上系统）是Altera公司提出来的一种灵活、高效的SoC解决方案。它将处理器、存储器、I/O口等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。SoPC是PLD和ASIC技术融合的结果，可以认为SoPC代表了半导体产业未来的发展方向。

Nios Ⅱ系列32位RISC嵌入式处理器具有超过200DMIP的性能，在低成本FPGA中实现成本只有35美分。由于处理器是软核形式，具有很大的灵活性，可以在多种系统设置组合中进行选择，满足成本和功能要求。采用Nios Ⅱ处理器进行设计，可以帮助用户将产品迅速推向市场，延长产品生命周期，防止出现处理器逐渐过时的情况。

AD7329模/数转换器

AD7329是ADI公司推出的基于iCMOS(industrial CMOS)工艺的8通道12位精度1MSa/s采样速度的逼近型模/数转换器。iCMOS是一种结合了高电压CMOS和低电压CMOS的特殊工艺，使得高精度模拟器件操作电压的范围达到了33V，远远高于上一代器件所能承受的极限。由于采用了此种新的工艺，AD7329在实现双极性输入的同时提高了精度，并且减小了功耗和体积。

AD7329可以实现真正的双极性输入，并且具有4种可编程输入范围，即±10V,±5V,±2.5V和0～+10V，每个模拟输入通道可以被独立设置。同时模拟输入通道也可配置成单端输入模式、差分输入模式以及伪差分模式。该器件内置了一个2.5V的基准源，同时也允许外部基准的输入，在外部基准为3V时双极性模拟输入的范围是±12V。该器件采用的是SPI高速串行接口，总线时钟频率可以稳定工作在20MHz，在给ADC提供时钟的同时完成数据的传输。

系统原理与组成

系统组成框图如图1所示，包括Nios Ⅱ嵌入式处理器、Avalon总线、JTAG控制器和调试接口、SDRAM、DM9000A网络接口以及AD7329采样控制模块。

图1 系统结构框图

在A/D采样控制器的控制下，AD7329采集得到的电压信号通过SPI接口传送到控制器的FIFO中，当数据量达到FIFO的75%时，控制器产生中断，通知CPU读取数据。CPU收到中断后，启动DMA，将A/D采样控制器FIFO中的数据传送到以太网控制器的FIFO中，而后利用NicheStack协议栈采用UDP方式将数据发送到网上。JTAG控制器和调试接口用来软硬件调试和系统软硬件程序的配置。SDRAM用来运行软件程序和提供FIFO的物理空间。