摘要：采用ARM＋FPGA結(jié)構(gòu)給出一種高性能的便攜式食用花生油質(zhì)量快速分析儀的設(shè)計(jì)。將可編程片上系統(tǒng)應(yīng)用到儀器開(kāi)發(fā)中，簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件電路，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性。充分利用ARM芯片的高效控制功能結(jié)合FPGA靈活的多硬件接口模擬特性，便于攜帶，適合現(xiàn)場(chǎng)免化學(xué)試劑快速檢測(cè)。
食用油種類有很多種，各類食用油的檢測(cè)方法不盡相同。以花生油質(zhì)量檢測(cè)為例，由花生油的特殊物理性質(zhì)可知，花生油在0～5℃時(shí)開(kāi)始結(jié)晶[1,2]，其他種類的食用油都不是在這個(gè)溫度下結(jié)晶，利用這一特殊物理性質(zhì)，在花生油結(jié)晶狀態(tài)條件下對(duì)其進(jìn)行吸光度測(cè)量，花生油在不同溫度的結(jié)晶度信息是不一樣的，所以需要一個(gè)恒定的溫度環(huán)境來(lái)確保測(cè)量精度。本文給出了一種基于ARM+FPGA的便攜式免化學(xué)試劑且環(huán)境友好型花生油質(zhì)量快速檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案。
1 儀器工作原理與方案設(shè)計(jì)
食用油質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀是利用信號(hào)采集模塊檢測(cè)樣品油的吸光度，因?yàn)槲舛扰c樣品油的物質(zhì)成分有關(guān)，通過(guò)吸光度可以了解樣品油的純度。
1.1工作原理
通過(guò)ARM處理器模糊PID計(jì)算，調(diào)整FPGA產(chǎn)生占空比可調(diào)的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM，驅(qū)動(dòng)熱電制冷器實(shí)現(xiàn)恒溫控制，儀器工作原理如圖1所示。信號(hào)采集模塊由單色LED光源和光頻轉(zhuǎn)換器TSL230B組成，TSL230B根據(jù)透射光強(qiáng)的不同，輸出頻率不同的脈沖信號(hào)（或方波信號(hào)）。因?yàn)橥干涔鈴?qiáng)與吸光度有關(guān)，F(xiàn)PGA讀取信號(hào)采集模塊輸入不同的脈沖信號(hào)的頻率，獲得吸光度的信息，F(xiàn)PGA再把吸光度的信息傳送給ARM控制器數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出花生油樣品純度信息并在顯示器上顯示。
1.2 方案設(shè)計(jì)
ARM控制器具有信息處理能力強(qiáng)和高集成度的特點(diǎn)，現(xiàn)在很多智能儀器都是以ARM為核心的控制系統(tǒng)，但隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器的功能越來(lái)越多，控制過(guò)程設(shè)計(jì)的信息也越來(lái)越多，以ARM為核心的控制系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足要求。而FPGA包含有大量實(shí)現(xiàn)組合邏輯的資源，可以完成較大規(guī)模的組合邏輯電路設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，它還包含有相當(dāng)數(shù)量的觸發(fā)器，借助這些觸發(fā)器，F(xiàn)PGA又能完成復(fù)雜的時(shí)序邏輯功能[11]。ARM與FPGA 的綜合設(shè)計(jì)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）可以大幅減少外部器件的使用量。
（2）可以應(yīng)用于各種場(chǎng)合，例如過(guò)程控制。
（3）控制對(duì)象比較多，使用一片ARM芯片與一片F(xiàn)PGA芯片使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、靈活。
（4）可以使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得功能分明、結(jié)構(gòu)緊湊、時(shí)序容易控制等。
根據(jù)系統(tǒng)需要的功能，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)的總體框架圖，如圖2所示。通過(guò)鍵盤按鍵發(fā)送控制信息，檢測(cè)需要在溫度恒定的情況下完成，所以需要一個(gè)恒溫設(shè)備（熱電制冷器和溫度傳感器DS18B20組成）提供穩(wěn)定的檢測(cè)環(huán)境，光源用的是紅光LED燈，紅光照射到盛裝食用油的比色皿上，在光的透射方向上放一個(gè)光電檢測(cè)模塊（光頻轉(zhuǎn)換器TSL230B），把光電檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)傳送到CPU（ARM芯片+FPGA芯片組成），經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后送到LCD顯示。
2 系統(tǒng)功能模塊劃分
在ARM與FPGA 的綜合設(shè)計(jì)中，需要系統(tǒng)、合理地劃分其功能，劃分的原則是面向任務(wù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，ARM作為核心器件，采用16 bit數(shù)據(jù)通信，F(xiàn)PGA作為ARM的擴(kuò)展外設(shè)備和協(xié)處理器。
由系統(tǒng)的工作原理可知，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)需求，整個(gè)系統(tǒng)的功能劃分如圖3所示。
ARM功能模塊功能如下：
（1）UART0：接RS232串行接口，與計(jì)算機(jī)上的專用測(cè)控軟件連接，相互進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
（2）通信模塊0： 與FPGA進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信，給FPGA發(fā)送控制指令和數(shù)據(jù)，并接收FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù)。
（3）I/O：連接LCD顯示器，顯示輸出信息；連接鍵盤按鍵，對(duì)系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)；連接外部數(shù)字信號(hào)，本系統(tǒng)讀取的是溫度傳感器DS18B20的數(shù)據(jù)。
FPGA功能模塊功能如下：
（1）通信模塊2：與ARM進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信，接收ARM發(fā)送的控制指令和數(shù)據(jù)，并向ARM發(fā)送數(shù)據(jù)。
（2）通用邏輯：實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器控制功能。
（3）PWM：實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)的PWM輸出。
（4）計(jì)數(shù)器：對(duì)外部脈沖量頻率或方波頻率檢測(cè)。
（5）通信模塊1：接RS232串行通信接口，與一些外部設(shè)備連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
（6）其他擴(kuò)展：用于一些備用功能的擴(kuò)展，當(dāng)需要增加一些功能時(shí)，不需要改變硬件就可以實(shí)現(xiàn)。
3 電路設(shè)計(jì)
3.1主控核心電路設(shè)計(jì)
ARM芯片S3C44B0X和FPGA芯片EP2C5T114C8是系統(tǒng)的核心器件，由于時(shí)鐘頻率不同，所以它們之間采用異步串行數(shù)據(jù)通信。
3.2電源電路設(shè)計(jì)
在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)各個(gè)部分對(duì)電源要求不一樣，電源設(shè)計(jì)非常重要，涉及到電源分配方案選擇、電源管理與監(jiān)控及電源功耗三個(gè)方面的內(nèi)容。在整個(gè)系統(tǒng)中，ARM和FPGA電壓配置如表1所示。系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)換成的電壓有5 V、3.3 V、2.5 V和1.2 V。
所用電壓轉(zhuǎn)化芯片分別為AMS1117-5、AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2。
在本系統(tǒng)中，首先用電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-5把外部直流電源的9 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V直流電壓，電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4（a）所示，再用電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2把5 V直流電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V、2.5 V 和1.2 V直流電壓，轉(zhuǎn)換電路如圖4（b）所示。
3.3下載配置電路設(shè)計(jì)
S3C44B0X下載配置支持的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO。其中TCK為測(cè)試時(shí)鐘輸入；TDI為測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過(guò)TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過(guò)TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測(cè)試模式選擇，用于設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測(cè)試模式；nTRST為測(cè)試復(fù)位，輸入引腳低電平有效[4] ，如圖5（a）所示。
EP2C5T144C8支持JTAG接口和主動(dòng)串行ASP接口下載配置，在具體設(shè)計(jì)中，可先用JTAG方式調(diào)試程序，當(dāng)程序調(diào)試無(wú)誤后，再使用主動(dòng)串行ASP方式把程序固化到配置芯片。如圖5（b）所示，JTAG為下載插座；E1為配置芯片EPCSISI8；ASP為主動(dòng)串行ASP下載插座，供固化程序到配置芯片使用。
3.4 存儲(chǔ)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
S3C44B0X的存儲(chǔ)系統(tǒng)具有以下主要特性：ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4 GB（232 B），ARM體系結(jié)構(gòu)將存儲(chǔ)器看作是從零地址開(kāi)始的字節(jié)的線性組合，從零字節(jié)到第3字節(jié)放置第1個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，從第4個(gè)字節(jié)到第7個(gè)字節(jié)放置第2個(gè)存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)據(jù)，依次排列；有8個(gè)存儲(chǔ)體，訪問(wèn)大小均可進(jìn)行改變（8 bit/16 bit/32 bit），每個(gè)存儲(chǔ)體可達(dá)32 MB,總共可達(dá)256 MB，Bank0～Bank5可支持ROM、SRAM存儲(chǔ)器，Bank6～Bank7可支持ROM、SRAM和FP/ED0/SDRAM存儲(chǔ)器；有小端格式和大端格式兩種方式存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)據(jù)，可以通過(guò)外部引腳選擇存儲(chǔ)方式，在小端存儲(chǔ)格式中，低地址中存放字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)，大端格式低地址中存放字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)，高地址存放字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)[4]，F(xiàn)lash和SDRAM存儲(chǔ)器電路如圖6所示。
3.5 按鍵電路設(shè)計(jì)
控制按鍵使用了4個(gè)按鍵（溫度控制、量程控制、檢測(cè)、顯示），按鍵接口電路如圖7所示。用到的4個(gè)接口分別對(duì)應(yīng)S3C44B0X的中斷接口ExINT4，ExINT5,ExINT6，ExINT7。從電路圖上可以看到，中斷接口通過(guò)上拉電阻被接到VDD，VDD是+3.3 V電壓，始終保持著高電平。而當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，直接接地，置成低電平引發(fā)中斷。復(fù)位電路如圖8所示。
3.6 LCD電路設(shè)計(jì)
S3C44B0X內(nèi)置LCD控制器具有很強(qiáng)的通用性，支持單色、灰度、彩色LCD屏， 通過(guò)編程可以支持不同的LCD顯示器；通過(guò)處理器內(nèi)部相關(guān)控制字就能分別設(shè)置屏幕尺寸、電平極性、接口時(shí)序、數(shù)據(jù)線寬度和刷新頻率等參數(shù)；支持很多種不同規(guī)格和工作方式的STN （supertwisted nematic）液晶顯示器；還支持4位雙掃、4位單掃、8位單掃3種掃描方式的顯示方式[4]。圖9所示是LCD顯示器的外接接口電路，通過(guò)數(shù)據(jù)線可以與LCD顯示器連接使用。
4 PCB圖設(shè)計(jì)
系統(tǒng)使用大量的芯片，加上S3C44B0X芯片、EP2C5T144C8芯片、SST39VF160芯片、K4S641632芯片的引腳數(shù)很多，考慮制板尺寸和加工成本，有些貼片電子器件放在電路板背面，系統(tǒng)采用4層PCB設(shè)計(jì)。根據(jù)PCB設(shè)計(jì)規(guī)則，在設(shè)計(jì)中注意把電源線和接地線加粗減小系統(tǒng)環(huán)路電阻，去耦電容盡量與電源直接連接，數(shù)字電路和模擬電路布局盡量分開(kāi)以減小系統(tǒng)干擾等，提高電子線路的工作穩(wěn)定性[7]。
提出了食用花生油快速檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用吸光光度法檢測(cè)花生油的質(zhì)量，這種檢測(cè)方法區(qū)別于傳統(tǒng)的化學(xué)試劑檢測(cè)方法，使得儀器使用簡(jiǎn)單，不需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，有利于儀器推廣使用。運(yùn)用ARM與FPGA綜合設(shè)計(jì)， ARM芯片的控制功能結(jié)合FPGA靈活的多硬件接口模擬特性對(duì)任務(wù)處理變得更加靈活高效，使得儀器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。
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