基于STM32＋FPGA的数据采集系统的设计与实现

引言

由于火控系统工作环境特殊，所需采集信号复杂多样，传统的以微控制器或PC为主的采集系统往往难以胜任。针对上述问题，提出了一种基于STM32＋FPGA的数据采集系统的设计方案，该方案不仅能够完成对多路多样信号实时、精确地采集，而且具有高速信号处理和数据传输能力，具有集成化程度高、体积小、资源丰富、价格便宜等优点。

1、系统总体设计

在实际应用中，所采集的信号既有模拟信号，也有数字差分信号，并且有多通道、串并混合、数据量大等特点。为了满足需求，本文设计了图1所示的数据采集系统，它能根据需求进行6路±10V模拟信号，18路数字差分信号的采集、处理和实时传输。系统采用STM32＋FPGA的组合方式，FPGA为ALTER公司的EP1K50TC144器件，由STM32417给FPGA发送控制命令，通过FPGA内部的地址译码、逻辑控制以及数据缓冲实现信号采集，并通知STM32417对数据进行读取，最后，由STM32417对得到的数据进行处理和传输。

图1  总体设计

其中，STM32F417是意法半导体公司生产的基于ARM－CｏRTEX－M4架构的微控制器，内核架构先进，性能优越，主频可达168MHｚ，执行效率高，具有较高的运算能力及数据处理能力，拥有丰富的外设接口和扩展功能。在图1中，STM32F417与上位机之间的以太网通信，就是MII外接DP83848物理层芯片，通过相关配置后扩展实现的。

2、STM32与FPGA的接口设计

STM32F417与FPGA的接口方式有很多种，可以是串行的，也可以是并行的，考虑到FPGA在多路并行数据处理方面有明显优势［5，6］，设计采用STM32F417的可变静态存储控制器（FLEXIBLESTATICMEMｏRｙCｏNTRｏLLER，FSMC）并行总线接口实现与FPGA的连接。

2．1、接口电路设计

FSMC是STM32系列采用的一种新型的存储器扩展技术，支持不同的外部存储器类型，其中就包括多种类型的静态存储器，因此，可将FPGA当成STM32F417的外部SRAM来配置，通过扩展出的数据／地址／控制三总线来实现操作，这样既能保证较快的操作速度，又具有很高的灵活性。接口电路硬件连接如图2所示。

图2  STM32F417与FPGA接口连接电路

将FPGA直接连接在STM32F417的FSMC总线上，FSMC提供了4个BANK用于连接外部不同的存储器，每个BANK有独立的片选信号，FSMC＿NE3是BANK1第三区的片选信号，FSMC＿NＯE和FSMC＿NEＷ分别是接口读写信号，根据应用需求，设计接口数据宽度为16位，地址线为10位，将数据线FSMC＿D［15～0］，地址线FSMC＿A［9～0］连接到FPGA的I／Ｏ端口，寻址空间为1K字。除此之外，还有一些中断信号（INT），用于FPGA向STM32F417发送中断请求。这样FPGA就作为STM32F417的外设连接在了系统中，通过存储器读写指令就可以访问FPGA。

2．2、关于接口地址的STM32软件设计

在STM32F417内部，FSMC的一端通过内部高速总线AHB连接到内核CｏRTEX－M4，另一端则是面向扩展存储器的外部总线，内部AHB总线的地址HADDR与FSMC总线地址存在一定的映射关系。FPGA连接在FSMC的BANK1第三区，HADDR总共有28根地址线（HADDR［27～0］），其中HADDR［26～27］用来对BANK1的4个区进行寻址。当PFGA使用第三区时，对应的HADDR［27∶26］等于10。当BANK1在外接16位宽度存储器时候，只有HADDR［25∶1］是有效的，对应关系变为：HADDR［25∶1］（FSMC［24∶0］，由此可知，接口地址FSMC＿A［9～0］对应的HADDR的地址为0X68000000～0X680007FE，在进行地址读写操作时，HADDR［0］并没有用到，相当于地址右移了1位，使得每次读写操作时，函数中的地址增量都为2。

3、数据采集的FPGA实现

3．1、模拟信号采集

根据应用需求，模拟信号采集选用MAXIN公司的12位AD转换芯片MAX196。该芯片有6个单端模拟输入通道，并且其量程范围、通道选择、工作方式均编程可控，转换时间为6μS，采样速率为100KSPS，具有精度高、功耗低、开发方便等特点。

由于MAX196芯片是5V电压供电，为了解决逻辑电压匹配的问题，设计使用电压转换芯片SN74AHCT245PＷLE来实现FPGA与AD的连接。由FP－GA控制AD进行信号采集，使用其内部逻辑，完成芯片的配置、中断的响应以及转换结果的缓存，FPGA内部逻辑电路如图3所示。此逻辑电路主要由AD控制模块、写缓存控制模块和双口RAM缓存3部分组成。

图3  AD采集内部逻辑电路

3．1．1、AD控制模块

AD控制模块用来完成MAX196的采集时序的控制，为了确保时序控制的准确性和连续性，设计一个状态机，如图4所示，从STATE0～STATE3依次变化，整个过程对应一次完整的采集周期，系统中所有的系统时序由外部40M有源晶振产生。

图4  AD采集控制状态机

状态机的初始状态为STATE3，控制端口默认置高，在FPGA在收到STM32F417发出的采集命令EN后，转入STATE0，输出脉冲（ｗR＋CS）启动AD转换，并且向AD芯片写入8位控制字，完成初始化，然后，STATE1等待AD完成数据转换，转换结束时，AD产生中断信号INT，接着进入STATE2，进而输出脉冲信号（RD＋CS），读取转换的结果。该过程使用VERILｏGHDL语言来描述，时序仿真如图5所示。

图5  AD控制时序仿真

在实际应用中，AD的转换量程选择为±10V，双极性，使用内部转换模式，控制字后3位选择输入通道。由MAX196用户文档可知，通道0采集的控制字为0X58，假设得到的转换结果为0X3EF，为了下一步数据存储的需求，设计将数据缓存在寄存器DATA［11∶0］中，并产生一个ｏVER中断信号用于后期处理。

3．1．2数据缓存

缓存的设置主要是解决AD连续高速的数据采集与STM32F417数据处理周期不匹配的问题，当AD完成一个通道的数据采集时，需要对数据进行缓存，考虑到FSMC总线接口的特点，在设计中，使用FPGA内部的双口RAM完成数据缓存［10］，由ＱUARTUSII自带的IP核生成，其中RAM的读取端连接FSMC接口，而写入端连接AD，写缓存的地址通过写缓存控制模块进行控制。

信号EN在启动AD控制模块的同时，将写缓存控制模块的地址清0，在ｏVER信号的触发下，地址加1，并且产生RAM写信号RAM＿ｗE，寄存器DATA［11∶0］的数据写入RAM里，在连续6路的采集中，每一路的数据对应不同的地址，进而完成数据的缓存。时序仿真如图6所示。

图6  缓存读写时序

采集结束后，STM32F417通过读取存储地址分别得到6个通道的采集数据，进而完成下一步的数据处理和传输。

3．2、数字差分信号采集

数字差分信号的采集首先需要将差分电平转换成数字电平，选用MAXIN公司的MAX3362作为数字差分信号收发器。数字信号既有并行数据，也有串行数据，在同步触发脉冲的作用下，可通过FPGA内部逻辑电路对数据进行处理。对于15路并行数据，通过集成电路74373＋74541的逻辑组合模块进行采集，在同步时钟SｙNC1置高时将数据锁存至74373，而对于1路串行数据，则通过74164＋74541的逻辑组合，在触发脉冲SｙNC2的上升沿将数据由串行转为并行，STM32F417向对应的地址发出读指令，地址经译码后，选通缓冲器74541，从而得到相应数据。

4、系统总体流程和结果测试

系统上电后，STM32和FPGA首先进行硬件初始化，其中FPGA通过PS的方式完成配置。STM32启动定时器产生定时中断，在中断响应中，发送开始采集命令，进而启动FPGA内部逻辑电路进行信号采集控制和数据缓存，在采集结束后，STM32响应FPGA发出的结束中断请求、读取数据、处理数据并将处理后的结果打包发送至上位机，最后，上位机接收数据并显示结果。系统工作流程如下图7所示。

图7  数据采集系统流程

STM32F417通过网口将结果发送至上位机，其以太网通信是基于LｗIP协议栈，利用改进后的UDP协议，实现数据实时可靠的传输。PC上位机则通过C＋＋BULIDER平台上的TNMUDP控件完成数据的接收。采集系统在实际实验中，控制MAX196完成6个通道采集的时间为约40μS，加上读取、处理、传输和显示的时间，系统可在50μS内完成全部采集和处理，设置定时器TIM1，使其50μS中断一次，并在中断响应中再次发送采集命令，实现精确时间间隔的连续采集。

通过信号发生器，产生50Hｚ的正弦波，连续采集波形如图8所示。

图8  50Hｚ正弦信号采集

模拟通道和数字信号端口分别对给定值连续测试5000次，统计结果的误差和误码率见表1。

表1  测试误差统计

测试的结果表明，模拟通道测量误差在10MV之内，数字信号端误码率为0，系统采集精度满足设计要求。

5、结束语

本系统很好地结合了STM32微控制器和FPGA可编程器件两者的长处，利用STM32硬件中的FSMC、ETHERNETMAC、定时器等外设功能，以及FPGA灵活的逻辑可操控性，解决了系统接口设计、时序控制、组网传输等复杂问题，实现了火控系统信息多通道、多类型信号的实时采集，保证了精度高、传输快，实时处理的采集要求，为后续应用打下了良好的基础。同时，简化系统硬件设计，缩小了系统体积和开发周期，具有极高的性价比。本系统还保留了很大的灵活性，可轻松进行二次开发，组合架构可应用于不同的信号采集领域，有广阔的应用前景和参考价值。