在高頻超聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，很多高速A／D轉(zhuǎn)換器往往不能直接與處理器相連接,，這時(shí)就需要使用FIFO在處理器與A／D轉(zhuǎn)換器之間架一座橋梁,，F(xiàn)IFO的先入先出特性可以方便緩存大量的數(shù)據(jù)塊,。在基于ARM的超聲波測(cè)厚系統(tǒng)中，所用為1 MHz以上的高頻超聲波探頭,，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后頻率與ARM處理器的數(shù)據(jù)接收能力不匹配,，因此需在A／D與ARM處理之間連接一個(gè)FIFO來(lái)解決以上問(wèn)題。該設(shè)計(jì)選用AD公司的A／D芯片AD9283,，F(xiàn)IFO選用Cyperss公司的CY7C4261,，兩者的最大采樣頻率都是100 MHz。ARM采用Samsung公司的S3C2410處理器,。三者都具有很強(qiáng)的外部接口能力,，方便構(gòu)成無(wú)縫連接，硬件接口電路簡(jiǎn)單,，調(diào)試方便,。
1 芯片選型
1．1 S3C2410處理器
S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用0．18μm制造工藝的32位微控制器,。該處理器擁有：獨(dú)立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)CACHE,，MMU，支持TFT的LCD控制器,，NAND閃存控制器,，3路UART，4路DMA,，4路帶PWM的Timer,，I／O口,，RTC,，8路10位ADC，Touch Screen接口,，I2C-BUS接口,，IIS-BUS接口，2個(gè)USB主機(jī),，1個(gè)USB設(shè)備,，SD主機(jī)和MMC接口，2路SPI,。S3C2410是16／32位RISC體系結(jié)構(gòu)處理器,，使用ARM920T CPU核的強(qiáng)大指令集，處理器最高可運(yùn)行在203 MHz,。
1．2 AD9283高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器
在超聲波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)中,，超聲波探頭的頻率一般是2～10 MHz。取探頭頻率為5 MHz,，根據(jù)采樣定理,，采樣頻率最好是探頭頻率的5～8倍,，因此A／D芯片選用AD公司的AD9283，它的最大采樣速率達(dá)100 MHz,，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求,。
1．3 FIFO存儲(chǔ)器CY7C4261
FIFO存儲(chǔ)器作為A／D與ARM之間的橋梁，其參數(shù)指標(biāo)直接影響數(shù)據(jù)的采集速度,。首先,，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器的讀／寫(xiě)速度要足夠快，為方便調(diào)試,，最好能和A／D器件的最大速度相一致,；其次，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量要適宜,，如果容量過(guò)大會(huì)造成資源浪費(fèi),，如果容量過(guò)小會(huì)造成溢出或者數(shù)據(jù)采集速度過(guò)慢。
常用被測(cè)物厚度為10 mm,，當(dāng)信號(hào)長(zhǎng)度取前8個(gè)波峰,，整個(gè)系統(tǒng)工作在極限頻率100 MHz的情況下，有如下計(jì)算：
采樣次數(shù)=采樣速率×時(shí)間=采樣速率×(2×厚度×8／超聲波速度)=100×2×0．01×8／5 900=2 712次
即需要將近3 KB的緩存,。該超聲波測(cè)厚系統(tǒng)最大需測(cè)量厚度50 mm的物體,，故需要容量15 K×8 B的FIFO。因此FIFO的深度要大于15 KB,；寬度大于A／D的位數(shù),，即大于8位；最大工作速率100 MHz,，與A／D采樣速率相一致,。該設(shè)計(jì)選用CY公司的FIFO存儲(chǔ)器CY7C4261，其最大采樣速率達(dá)100 MHz,，與AD9283最大采樣速率相同,；容量為16 KB×9 B，可以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)量要求,。
2 接口設(shè)計(jì)
AD9283是8位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器,，CY7C4261是9位FIFO，S3C2410的數(shù)據(jù)總線(xiàn)是32位,。CY7C4261只需接S3C2410的低8位DO～D7,。由于FIFO的先入先出結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中不需要任何地址線(xiàn)的參與,，大大簡(jiǎn)化了電路,。A／D采樣所得數(shù)據(jù)要實(shí)時(shí)送入FIFO，兩者的寫(xiě)時(shí)鐘頻率必須一樣,，且AD9283和CY7C4261的最小時(shí)鐘輸入都是10 ns,，操作起來(lái)統(tǒng)一方便,。74ALS08是四-二輸入與門(mén)，把ARM的脈寬調(diào)制波輸出口中的TOUTl(GPBl),，TOUT2(GPB2)配置為通用輸出口,，對(duì)74ALS08的通斷進(jìn)行控制，從而對(duì)A／D和FIFO的寫(xiě)時(shí)鐘進(jìn)行控制,。S3C2410的CLKOUTO與CY7C4261的RCLK相連為FIFO提供讀時(shí)鐘,。CY7C4261的全滿(mǎn)標(biāo)志位/FF與S3C2410的外部中斷EINTl相連用以觸發(fā)外部中斷。S3C2410的nRSTOUTl與CY7C4261的/RS相連用以復(fù)位FIFO,。接口框圖如圖1所示,。
3 時(shí)序設(shè)計(jì)
通過(guò)兩個(gè)與門(mén)分別對(duì)A／D和FIFO的寫(xiě)時(shí)鐘進(jìn)行控制。因?yàn)锳D9283從模擬輸入開(kāi)始到該次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在輸出口上需要4個(gè)時(shí)鐘周期,，并且在高速度采樣時(shí)導(dǎo)線(xiàn)的延時(shí)效果會(huì)非常明顯,，若把A／D和FIFO的時(shí)鐘連在一起，很可能過(guò)多地采到無(wú)效數(shù)據(jù),。分開(kāi)控制以后,，通過(guò)軟件延時(shí)，可以方便地分別對(duì)A／D和FIFO的時(shí)鐘進(jìn)行控制,。調(diào)試起來(lái)相當(dāng)方便,，力圖把采到無(wú)效數(shù)據(jù)的位數(shù)減至最低。AD9283的工作時(shí)序如圖2所示,，CY7C4621寫(xiě)時(shí)序圖如圖3所示,。
采樣時(shí)。通過(guò)程序使能TOUTl,，TOUT2輸出為1,。此時(shí)采樣時(shí)鐘脈沖與TOUTl，TOUT2相與后被分別送入AD9283的時(shí)鐘輸入ENCODE和CY7C4621的寫(xiě)時(shí)鐘輸入WCLK,。此時(shí)A／D開(kāi)始工作,，A／D將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送至自己的輸出口D0～D7,。當(dāng)寫(xiě)使能/WEN1為低,、WEN2為高的時(shí)候，A／D輸出口上的數(shù)據(jù)在WCLK的上升沿被依次寫(xiě)入FIFO,。A/D和FIFO每來(lái)一次脈沖,，便完成一次模／數(shù)轉(zhuǎn)換并把數(shù)據(jù)順序存入FIFO。CY7C4261的數(shù)據(jù)最大儲(chǔ)存容量是16 KB,，在完成了1 6 KB次轉(zhuǎn)換之后,，CY7C426l將不能再存入新的數(shù)據(jù)，此時(shí)存儲(chǔ)器滿(mǎn)標(biāo)志/FF輸出低電平(在未滿(mǎn)時(shí)輸出高電平),。把此信號(hào)接到S3C2410的外部中斷EINTl上,，利用它由高到低的變化產(chǎn)生中斷,，以表明一組數(shù)據(jù)采集完成。
在中斷中,，ARM首先迅速關(guān)閉采樣脈沖信號(hào)(使TOUTl和TOUT2)的輸出為0,，停止A／D和FIFO的工作。ARM外部時(shí)鐘信號(hào)CLKOUTO與FIFO的讀輸入RCLK接在一起,，ARM每執(zhí)行一次I／O讀操作,，cLKOUT0便向RCLK發(fā)出一脈沖。把FIFO讀使能/WEN1和WEN2置為低,，同時(shí)連續(xù)執(zhí)行16 K次I／O讀操作,，數(shù)據(jù)便依次從CY7C4261送入S3C2410系統(tǒng)，整個(gè)數(shù)據(jù)采集工作就此完成,。在進(jìn)行每一次數(shù)據(jù)的采集前,，將CY7C4261先復(fù)位，把S3C24-10的nRSTOUTl配置為通用輸出口,，給CY7C4261的RS引腳輸入一個(gè)不小于10 ns的低脈沖,，即在ARM的nRSTOUTl引腳輸出一個(gè)低脈沖。這樣可以更充分地保證FIFO的讀,、寫(xiě)指針的穩(wěn)定,。
4 數(shù)據(jù)采集流程
超聲波測(cè)厚系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工作流程主要包括ARM初始化、輸入激勵(lì)脈沖,、使能外部中斷,、時(shí)鐘送入A／D、FIFO,、等待中斷,。停止A／D及FIFO，ARM讀數(shù)據(jù),，復(fù)位FIFO,。流程圖如圖4所示。
5 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)在基于ARM的超聲波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)中,，采用FIFO可以使高速A／D與ARM處理器之間得到很好的無(wú)縫連接,，解決兩者之間不匹配的問(wèn)題。通過(guò)軟件設(shè)置,，可以靈活調(diào)整A／D,，F(xiàn)IFO及ARM的操作時(shí)序，調(diào)試簡(jiǎn)便,，保證了數(shù)據(jù)采集的安全可靠,。該接口電路簡(jiǎn)單，靈活高效,，具有很高的應(yīng)用價(jià)值,。