基于ARM处理器LPC2142的高速数据采集卡设计

    华中师范大学物理科学与技术学院 占林松，夏应清，袁 泉引言

    在瞬态信号测量和图像处理等一些高速、高精度的测量中，往往都需要进行高速数据采集。现在通用的高速数据采集卡(一般多是pci卡或isa卡)存在有安装麻烦、价格昂贵、受计算机插槽数量／地址／中断资源的限制、可扩展性差，而且在一些电磁干扰性强的测试现场无法专门对其进行电磁屏蔽，因而会导致采集的数据失真等缺点。为此，本文给出了采用philips公司的一款lpc2142芯片(基于arm7内核，内置了宽范围的usb2.0 device全速串行通信接口)设计的数据采集卡的设计方案，从而有效解决了传统高速数据采集卡的上述缺陷。

    1 基于arm的数据采集卡系统结构

    该系统主要由双通道模／数转换器ad9238、arm微控制器lpc2142及fpga器件ep1c3t100组成，图1所示是其结构框图。ad9238具有a、b两个通道，前端的差分放大器把模拟信号通过放大送入ad9238，由ad9238把模拟信号转换成12的数字信号同时送入fpga中的fifo缓存器进行缓存。然后由labview软件制作的界面便可向lpc2142发送控制指令，lpc2142读取fifo缓存器中的数据后可通过usb端口发送给主机。而主机也可通过界面菜单选择采样频率、采样的起始点、模拟信号调理及读取精度测频数据等。

    2 基于arm的数据采集卡的硬件设计

    2.1 ad9238模数转换芯片

    ad9238是美国模拟器件公司(adi)推出的快速12位双通道模数转换器。ad9238有3种型号，采样率最高分别可达20 ms／s、40 ms／s和65ms／s。ad9238可提供与单通道a／d转换器同样优异的动态性能，但是比使用2个单通道a／d转换器具有更好的抗串扰性能；ad9238采用单3 v供电(2.7～3.6 v)；rsn=70 dbc；rsfd=85 dbc；enob为11.3 b；差分输入时，具有500 mhz的3 db带宽；并有片上参考电压和1～2 vpp的模拟输入范围。

    ad9238的两个通道分别采用一个ad8138做为运放驱动芯片。i／q两路中频模拟信号分别经过2个ad8138后变为差分信号送给a／d转换器(第2，3，14，15管脚)。

    高速adc对时钟的占空比很敏感。一般来说需要有50％(±5％)的占空比。ad9238可给每个通道单独提供时钟(管脚clk_a和clk_b)，当2个通道的采样时钟同频同相时，系统会有比较好的性能，当2个通道小同步时，性能会有所下降。

    本数据采集卡采用40 mhz的ad9238芯片，单双通道选择和转换频率采用软件控制。

    2.2 cyclone系列fpga器件

    由于高速数据采集系统的特殊要求，本设计在众多fpga器件中选择了altera-p.htm" target="_blank" title="altera货源和pdf资料">altera公司生产的cyclone系列器件。cyclone系列的高性能和高密度是基于它先进的stratix的工艺构架，可为高速应用提供非常高的性价比，此外，cyclone系列器件内部ram存储器还可以生成fifo缓存器以便为高速采样提供缓存空间。

    altera-p.htm" target="_blank" title="altera货源和pdf资料">altera公司的quartus ii软件是一款易于使用的综合开发工具，它集成了altera公司fpga／cpld开发流程中所涉及的所有工具和第三方软件接口，其友好界面为设计提供了便利条件。

    在这里，fpga器件主要用于完成数据缓存、等精度测频、采样频率分频及触发控制等工作。

    2.3 fpga在触发控制中的应用

    由于此数据采集卡是高速缓存式的，且缓存空间有限，所以不能采用连续式采集方式，而是采用触发式采集方式。为了提高数据采集卡的适用能力，使系统不仅可以采集周期信号，而且要能采集触发信号，还要能手动触发采集，笔者增加了触发点捕捉电路。该电路主要由ad8561电压比较器、fpga芯片组成，由于ad8561芯片的转换速度很高，故能满足判断速度足够高的要