随着图像处理 、 工业控制 、 无线通信等领域的飞速发
展 ， 对数据采集系统的速度 、 精度等性能要求也越来越高 。
这些要求都对数据采集系统的设计和实现提出了新的挑
战 。 目前数据采集系统的设计方案通常分为以下几类 ： １ ）
以微处理器单一控制芯片和 Ａ ／ Ｄ 转换器形式为主 ， 该设计
方案简单 ， 在对性能要求不高的应用场合为了降低成本甚
至可以采用集成 Ａ ／ Ｄ 转换器的微处理器 ［ １ ］ 。 ２ ） 采用通用
计算机配置数据采集卡的方式 ［ ２ ］ ， 通常需要开发计算机端
应用程序 ， 可以完成复杂的计算 ，但不同的采集卡相应的驱
动程序不同 ， 如果需求改变需要更换采集卡时 ， 相应的应用
程序也需要重新开发 。 因此 ， 该设计方案通用性差 ， 实时性
不高 。 ３ ） 以 ＡＲＭ 和 ＦＰＧＡ 或 ＤＳＰ 和 ＦＰＧＡ 组合方式作为
采集系统的核心 ［ ３ － ５ ］ ， ＡＲＭ 处理器适合控制领域 ， ＤＳＰ 处理
器适合信号处理领域 ， ＦＰＧＡ 器件由于其自身特点 ， 适合高
速并行采集与处理领域 ， 具有 ＡＲＭ 或者 ＤＳＰ 等处理器无
法比拟的优势 。 这类组合方式结合各自特点 ， 处理能力强 ，
应用范围广 。 通过以上分析 ， 设计了 ＡＲＭ 处理器和 ＦＰＧＡ
器件作为数据采集系统的核心 ， ＡＲＭ 处理器使用 Ｍａｒｖｅｌｌ
公司的 ＰＸＡ２７０ ， ＦＰＧＡ 器件使用 Ａｌｔｅｒａ 公司的 Ｃｙｃｌｏｎｅ 系
列 ＥＰ１Ｃ６ ， 前端采集芯片使用 Ｔｉ 公司的高精度 、 大动态 ２４
位 Ａ ／ Ｄ 转 换 器 ＡＤＳ１２７８ 进 行 模 数 转 换 。 ＡＲＭ 和 ＦＰＧＡ
之间的数据交换采 用 双 口 ＲＡＭ 芯 片 来 实 现 ＦＩＦＯ 功 能 。
系统中 ＡＲＭ 处理器作为系统控制核心 ， 负责控制整个系
统工作时序 、 并将数据通过网络上传到服务器中进行存储 。
ＦＰＧＡ 负责 Ａ ／ Ｄ 转换器的模式配置 ， 数据传输 。 该组合方
式结合 ＡＲＭ 在控制方面和 ＦＰＧＡ 在采集方面的优势 ， 具
有通用性强 、 配置灵活的特点 。
２ 系统设计
本系 统 硬 件 主 要 由 信 号 调 理 电 路 、 模 数 转 换 器
ＡＤＳ１２７８ 、 ＦＰＧＡ 器 件 Ｃｙｃｌｏｎｅ 系 列 ＥＰ１Ｃ６ 、 双 口 ＲＡＭ
ＩＤＴ７２０５ 和处理器 ＰＸＡ２７０ 及外围电路 ［ ６ ］ 组成 ， 系统结构框
图如图 １ 所示 。 输入信号经过信号调理电路后 ， 进入 Ａ ／ Ｄ
转换器进行数据转换 ， 将模拟信号转换成 ２３ 位尾数和一符
号位的数据 ， ＦＰＧＡ 配置 Ａ ／ Ｄ 转换器并将转换的数据按照
顺序存储到双口 ＲＡＭ 中 ， 当转换数据存储满后中断 ＡＲＭ
处理器 ， ＡＲＭ 处理器将数据从双口 ＲＡＭ 读出进行运算 ，
并通过网络接口将采集数据传输到服务器 。
２．１ ２４ 位 Ａ ／ Ｄ 转换芯片 ＡＤＳ１２７８
ＡＤＳ１２７８ ［ ７ ］ 是德州仪器 （ ＴＩ ） 公司推出的采样率高达
１２８ＫＳ ／ ｓ 、 ２４ 位 ８ 通道同步采样 Σ － Δ ＡＤＣ 。 支持多种工
作模式 ， 内部集成线性相位数字滤波器 ， 数据输出接口支
持 ＳＰＩ 或可选帧同步 ， 便于与 ＦＰＧＡ 互连 。 可满足国防 、
航天和医疗应用 。
ＡＤＳ１２７８ 转换器内部集成的数字滤波器通过奈奎斯特
采样将输入信号抽取为长度为 １ 比特的高分辨率数字信
号 。 ８ 通道输入信号分别进入独立的 ８ 个 Ａ ／ Ｄ 转换器 ， 它
内部由高阶斩波器 、 数字滤波器 、 调制器组成 ， 可将输入模
拟信号经过高阶滤波器后得到数字信号 。
ＡＤＳ１２７８ 的 ＭＯＤＥ ［ ０．．１ ］、 ＦＯＲＭＡＴ ［ ０．．２ ］、
ＳＹＮＣ 、 ＣＬＫ 、 ＳＣＬＫ 、 ＤＲＤＹ 、 ＤＯＵＴ ［ ８．．１ ］ 引 脚 分 别 于
ＦＰＧＡ 的 ＩＯ 口 相 接 ， 其 中 ， ＭＯＤＥ ［ ０．．１ ］ 引 脚 状 态 决 定
Ａ ／ Ｄ 的工作模式 ， ＦＯＲＭＡＴ ［ ０．．２ ］ 引脚状态决定数据输
出格式选择 ， ＣＬＫ 引 脚 需 要 输 入 Ａ ／ Ｄ 转换器工作时钟 ，
ＳＹＮＣ 、 ＳＣＬＫ 、 ＤＯＵＴ ［ ８．．１ ］ 引脚是控制 Ａ ／ Ｄ 转换的数据
串行输出帧同步 、 时钟 、 ８ 通道数据 。 图 ２ 为 ＡＤＳ１２７８ 的
ＳＰＩ 格式下 ， 时钟和数据时序图 。
２．２ ＡＲＭ 与 ＦＰＧＡ 的接口设计
本 系 统 核 心 采 用 ＡＲＭ 和 ＦＰＧＡ 的 组 合 方 式 ， 在
ＡＲＭ 和 ＦＰＧＡ 之 间 采 用 ３ 片 双 口 ＲＡＭＩＤＴ７２０５ 进 行
２４ｂｉｔ 数据传输 ， 其中 ， ＦＰＧＡ 器件控制 Ａ ／ Ｄ 转换 ， 并将转
换数据按照一定顺序存储到双口 ＲＡＭ 中 ， 当数据存储完
后将中断 ＡＲＭ ， ＡＲＭ 将双口 ＲＡＭ 中的数据进行读取 ，
比使用 ＦＩＦＯ 传输的方案降低了成本 、 提高了数据传输的
吞吐量 。
本系 统 中 ＦＰＧＡ 的设计作用如下 ： 复 位 并 配 置
ＡＤＳ１２７８ 的工作 模 式 ， ＦＰＧＡ 内部设置一个地址加法器
控制将 Ａ ／ Ｄ 转换器的数据写入双口 ＲＡＭ 中 ， 当 双 口
ＲＡＭ 写满 后 ， 大 小 ２４ ＫＢ ， 地址加法器复位 。 ＡＲＭ 与
ＦＰＧＡ 的接口方式 有 很 多 种 ， 如 ＩＩｃ 、 ｓｐｉ 等串行接口或总
线等并行接口 ， 串行接口由于本身的局限性限制了其在大
数据量 、 实时数据的传输的应用 ， 而总线的形式更合理一
些 ， 稳定性较之更好一点 。 但 ＡＲＭ 与 ＦＰＧＡ 通 过 地 址 、
数据 、 控制总线直接连接的方式在大数据传输时会影响系
统的效率 ， 因 此 ， 在 ＡＲＭ 与 ＦＰＧＡ 之 间 采 用 双 口 ＲＡＭ
进行连接的方 式 ， ＡＲＭ 与 ＦＰＧＡ 异 步 工 作 ， 提 供 了 系 统
的效率 。 其接口如图 ３ 所示 。
ＦＰＧＡ 的 控 制 信 号 ＷＲ 、 ＲＤ 、 ｎＲＥＳＥＴ 与 双 口 ＲＡＭ
ＩＤＴ７２０５ 的复位信号 ＲＳ 、 读写信号 ＷＲ 和 ＲＤ 连接 ， 数据
总线 Ｄ０ ～ Ｄ２３ 与双口 ＲＡＭ 的数据总线连接 ， ＦＰＧＡ 通过
内部地址加法器依次将将 Ａ ／ Ｄ 转换器的数据串并转换后
写入双 口 ＲＡＭ 中 。 双 口 ＲＡＭ 的 ＥＦ 、 ＨＦ 信 号 分 别 与
ＰＸＡ２７０ 的 ＧＰＩＯ０ 和 ＧＰＩＯ１ 连接 ， 接受数据写满后产生
的中断 。 ＰＸＡ２７０ 提 供 ６ 个分区的静态存储器 Ｂａｎｋ０ ～
Ｂａｎｋ５ ， 设计将双口 ＲＡＭ 的存储空间映射到 ＰＸＡ２７０ 的
Ｂａｎｋ３ 上 。
３ 驱动程序设计
为了实现 ＡＲＭ 与 ＦＰＧＡ 通过双 口 ＲＡＭ 的 数 据 传
输 ， 需要设计嵌入式 Ｌｉｎｕｘ 下的驱动程序 ［ ８ ］ 。 当 ＦＰＧＡ 将
数据写到双口 ＲＡＭ 中 ， 根据双口 ＲＡＭ 中数据的状态中
断 ＡＲＭ 处理器进 行 数 据 读 取 。 这一过程主要需要中断
和总线驱动程序配合 。
在中断驱 动 程 序 中 ， 通 过 ｒｅｑｕｅｓｔ ＿ ｉｒｑ （） 函 数 为 双 口
ＲＡＭ 的中断分配中断请求 （ ＩＲＱ ） 号 ， 当处理器检测到这
一 ＩＲＱ 号对应的中断产生时 ， 将启动该 ＩＲＱ 对应的中断
服务例程 ［ ９ ］ 。 ＩＲＱ 号与中断处理例程是一一对应的 ， 在系
统 ／ ｐｏｒｃ ／ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｓ 文件中可以为设备选择 ＩＲＱ 号 。 ＦＰ －
ＧＡ 将 Ａ ／ Ｄ 转换的数据写入双口 ＲＡＭ 后 ， 当数据写满后
会中断 ＡＲＭ 处理器 ， ＡＲＭ 会响应中断处理例程 ， 读取双
口 ＲＡＭ 中的 数 据 。 中断处理例程首先要清除 ＰＸＡ２７０
的中断寄存器相应的位 ， 需要通过对状态寄存器相应位进
行写 操 作 ， 这是为了能够继续响应双口 ＲＡＭ 产 生 的 中
断 。 然后是设置数据传输标志位 ， 当主程序中检测到标志
位 ， 进而调用总线驱动程序进行数据传输 ， 这种工作方式
可以避免中断处理例程的冗长 ， 提高系统传输效率 。
由于应用程序工作在用户空间 ， 它无法完成对总线的
操作 ， 而驱动程序工作在内核空间 ， 可完成对总线的操作 ，
因此 ， 在总线驱动程序中 ， 必须支持应用程序对总线的操
作 ， 以完成数据的传输 。 传统的 Ｌｉｎｕｘ 应用程序需要通过
总线驱动程序完成对总线空间的访问方法是通过 ２ 个函
数完成用户空间与内核空间之间的数据传递 ， 其中内核空
间向用户空间传输数据使用 ｃｏｐｙ ＿ ｆｒｏｍ ＿ ｕｓｅｒ 函数 ， 用户空
间向内核空间传输数据使用 ｃｏｐｙ ＿ ｔｏ ＿ ｕｓｅｒ 函 数 。 ｃｏｐｙ ＿
ｆｒｏｍ ＿ ｕｓｅｒ ， ｃｏｐｙ ＿ ｔｏ ＿ ｕｓｅｒ 等 。 这种方法虽然能完成 ２ 个空
间的数据传输 ， 但是效率不高 ， 最好的方法是将内核空间
能访问的物理地址直接映射到用户空间 ， Ｌｉｎｕｘ 内核提供
了 ｒｅｍａｐ ＿ ｐａｇｅ ＿ ｒａｎｇｅ 函数 ， 应用程序对该用户空间的地
址访问相当于直接对物理地址的访 问 ［ ９ ］ 。 本 文 的 总 线 驱
动程序就是直接映射的方法 ， 来完成快速的读写 。
下面是驱动程序代码段 ， 它使用 ｒｅｍａｐ ＿ ｐａｇｅ ＿ ｒａｎｇｅ （）
函数在驱动程序中完成 ｍｍａｐ 系统调用中物理空间到虚
拟空间的映射 ， ｒｅｍａｐ ＿ ｐａｇｅ ＿ ｒａｎｇｅ （） 函数原型如下 ：
ｉｎｔｒｅｍａｐ ＿ ｐａｇｅ ＿ ｒａｎｇｅ （ ｖｍａ ＿ ａｒｅａ ＿ ｓｔｒｕｃｔ ＊ ｖｍａ ， ｕｎ －
ｓｉｇｎｅｄｌｏｎｇｆｒｏｍ ， ｕｎｓｉｇｎｅｄｌｏｎｇｔｏ ， ｕｎｓｉｇｎｅｄｌｏｎｇｓｉｚｅ ， ｐｇ －
ｐｒｏｔ ＿ ｔｐｒｏｔ ）；
ｒｅｍａｐ ＿ ｐａｇｅ ＿ ｒａｎｇｅ （） 函数的调用需要初始化 。
虚拟内存空间指针 ｖｍａ 、 起始地址 、 物理地址 、 映射区
域字节 数 等 参 数 。 首 先 计 算 物 理 地 址 ， 然 后 通 过 右 移
ＰＡＧＥ ＿ ＳＨＩＦＴ 位 ， 本系统使用 ＰＸＡ２７０ 的 Ｂａｎｋ３ 的物理
空间 ， 起始地址 ０ｘ０ｃ００００００ ， 大 小 为 ４ＫＢ 映 射 到 虚 拟 空
间 。 驱动程序中 ， 还需要判断虚拟内存大小和偏移了指定
距离后物理内存的大小 ， 如果虚拟内存过大 ， 应该返回并
提示映射超出允许的内存空间 。
调用 ｒｅｍａｐ ＿ ｐａｇｅ ＿ ｒａｎｇｅ （） 函数过程如下 ： ｒｅｍａｐ ＿ ｐａｇｅ ＿
ｒａｎｇｅ （ ｖｍａ ， ｖｍａ－ ＞ ｖｍ ＿ ｓｔａｒｔ ， ０ｘ０ｃ００００００ ＋ ｖｍａ－ ＞ ｖｍ ＿
ｐｇｏｆｆ ＜＜ ＰＡＧＥ ＿ ＳＨＩＦＴ ， ｖｍａ－ ＞ ｖｍ ＿ ｅｎｄ－ ｖｍａ－ ＞ ｖｍ ＿
ｓｔａｒｔ ， ｐｇｐｒｏｔ ＿ ｎｏｎｃａｃｈｅｄ （ ｖｍａ－ ＞ ｖｍ ＿ ｐａｇｅ ＿ ｐｒｏｔ ））；
应用程序中调用 ｍｍａｐ 系统就是对 ｍｍａｐ （） 函 数 的
参数初始化 。 ｍｍａｐ （） 函数原型如下 ：
ｖｏｉｄ ＊ ｍｍａｐ （ ｖｏｉｄ ＊ ｓｔａｒｔ ， ｓｉｚｅ ＿ ｔｌｅｎｇｔｈ ， ｉｎｔｐｒｏｔ ， ｉｎｔ
ｆｌａｇｓ ， ｉｎｔｆｄ ， ｏｆｆ ＿ ｔｏｆｆｓｅｔ ）；
首先将文件描 述 符 ｆｄ 指 定 的 设 备 文 件 与 ｓｔａｒｔ 处 开
始的内存空间关联 ， 通常将 ｓｔａｒｔ 设为 ０ ， ｍｍａｐ （） 函数返回
实际关联 的 内 存 地 址 。 ｌｅｎｇｔｈ 为内存映射的字节长度 ，
ｐｒｏｔ 为内 存 保 护 类 型 ， ｆｌａｇ 为 映 射 类 型 ， ＭＡＰ ＿ ＳＨＡＲＥＤ
标识符表示与其他所有映射这个对象的进程共享内存区
域 。 本设计调用 ｍｍａｐ （） 函数过程如下 ：
ｂａｓｅ＝ （ ｕｎｓｉｇｎｅｄｌｏｎｇ ＊ ） ｍｍａｐ （ ０ ， ０Ｘ１００ ， ＰＲＯＴ ＿
ＲＥＡＤ ｜ ＰＲＯＴ ＿ ＷＲＩＴＥ ， ＭＡＰ ＿ ＳＨＡＲＥＤ ， ｆｄ ， ０ ）；
４ 系统实验结果分析
本系统中 ， ＦＰＧＡ 外部晶振频率采用 ３２．７６８ＭＨｚ ， 经
过内 部 １６ 分 频 器 后 得 到 ２．０４８ ＭＨｚ 时 钟 频 率 作 为
ＡＤＳ１２７８ 的工作时 钟 。 ＡＤＳ１２７８ 完 成 ８ 通 道 ２４ 位 精 度
的采样 传 输 大 约 需 ２４ μ ｓ ， 采 样 数 据 被 ＦＰＧＡ 写 入 双 口
ＲＡＭ 基本在采样结束后同步完成 。 当双口 ＲＡＭ 数据被
写满后 ， 中断 ＡＲＭ 处理器进行数据读取 ， ＡＲＭ 的工作频
率为 ５２０ ＭＨｚ ， 外部总线时钟频率为 １０４ ＭＨｚ ， 配 置
ＰＸＡ２７０ 外部 Ｂａｎｋ３ 的 ＭＳＣ 寄存器为 ０ｘ７ｆｆ４ 满足系统对
双口 ＲＡＭ 时序读写的需要 。
为了提高采集精度 ， 首 先 需 要 对 Ａ ／ Ｄ 转 换 器 进 行 零
偏校准 ， 零偏校准后 ， 通过动态范围计算公式 ２０×ｌｇ （ 信号
电压 ／ 噪声电压 ） 得到各通道实际动态范围如表 １ 所 示 。
其中零偏电压以转换后的数字形式给出 。 从表 １ 中动态
范围一列中可以看出 ， 系统各通道实现的动态范围都接近
Ａ ／ Ｄ 转换器 ２４ 位采样精度时的理想动态范围 １１１ｄＢ ［ ７ ］ ，
测量结果表明本文设计的系统可充分发挥 Ａ ／ Ｄ 转换器高
精度 、 大动态范围的特性 。
信迈提供ARM+FPGA+AD的设计与批量生产解决方案。
