ARM+FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計及在測量儀器上的應(yīng)用.pdf

1、目前在各行各業(yè)中應(yīng)用種類繁多的測量儀器隨著儀器性能指標(biāo)要求的逐漸提升以及功能的不斷拓展，對儀器控制系統(tǒng)的實(shí)時性和集成化程度等性能的要求也越來越高。目前發(fā)展的趨勢是開放式、集成度向芯片級靠攏的高實(shí)時性儀器。針對目前傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計存在著功能簡單、速度慢、實(shí)時性差、對數(shù)據(jù)的再加工處理能力極為有限等問題，本文根據(jù)課題需要提出了一種基于ARM+FPGA架構(gòu)的高速實(shí)時數(shù)據(jù)采集嵌入式系統(tǒng)方案，應(yīng)用在小功率半導(dǎo)體測量儀器上。方案采用三星S3C2410的

2、ARM處理器進(jìn)行管理控制，處理數(shù)據(jù)，界面顯示；Altera公司的Cyclone系列的1C12 FPGA器件用來進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性和集成化程度。 本文首先給出了ARM+FPGA架構(gòu)的總體設(shè)計。硬件方面，簡要討論了ARM處理器的特點(diǎn)和優(yōu)勢，F(xiàn)PGA在高速采集和并行性上的優(yōu)勢，給出了硬件的總體結(jié)構(gòu)和主要部件及相關(guān)接口。軟件方面，研究了基于嵌入式Linux的嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建和BootLoader的啟動以及內(nèi)核和根文件系

3、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了嵌入式Linux系統(tǒng)包括建立交叉開發(fā)環(huán)境，修改移植BootLoader和裁減移植Linux內(nèi)核，并且根據(jù)課題實(shí)際需要精簡建立了根文件系統(tǒng)。 為了滿足測量儀器的實(shí)時性，設(shè)計了ARM與FPGA的高速數(shù)據(jù)采集接口。進(jìn)行了FPGA內(nèi)部與ARM接口相關(guān)部分的硬件電路設(shè)計；通過分析ARM與FPGA內(nèi)部時序的差異，針對ARM與FPGA內(nèi)部FIFO時序不匹配的問題，解決了測量儀器中高速數(shù)據(jù)采集與處理速度不匹配的問題。接著，通過研

4、究Linux設(shè)備驅(qū)動基本原理和驅(qū)動程序的開發(fā)過程，設(shè)計了Linux下的FPGA數(shù)據(jù)采集接口驅(qū)動程序，并且實(shí)現(xiàn)了中斷傳輸。使得FPGA芯片通過高效可靠的驅(qū)動程序可以很好的與ARM進(jìn)行通訊。 最后為了方便用戶操作，進(jìn)行了人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計。為了降低成本和提高實(shí)用性利用FPGA芯片剩余的資源實(shí)現(xiàn)了對PS/2鍵盤鼠標(biāo)接口的控制，應(yīng)用到系統(tǒng)中，大大提高了人機(jī)交互能力；通過比較分析目前比較流行的幾種嵌入式GUI圖形設(shè)計工具的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合課題

5、的實(shí)際情況選擇了MiniGUI作為課題圖形界面的開發(fā)。根據(jù)具體要求設(shè)計了適合測量儀器方面上使用的人機(jī)交互界面，并且移植到了ARM平臺上，給測量儀器的使用提供了更好的交互操作。 本課題完成了嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境的建立，針對課題實(shí)際硬件電路設(shè)計修改移植了bootloader，裁減移植了內(nèi)核以及根文件系統(tǒng)的建立；設(shè)計了FPGA內(nèi)部硬件電路，解決了接口中ARM與FPGA時序不匹配的問題，實(shí)現(xiàn)了ARM與FPGA之間的高速數(shù)據(jù)采集；設(shè)計