超聲波無損檢測系統(tǒng)的A/D與ARM接口設(shè)計(jì)

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的超聲波測厚系統(tǒng)中，所用為1 MHz以上的高頻超聲波探頭，測量數(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來解決以上問題。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)成無縫連接，硬件接口電路簡單，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

在超聲波無損檢測系統(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，可以滿足系統(tǒng)要求。

1．3 FIFO存儲器CY7C4261

FIFO存儲器作為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存儲器的讀／寫速度要足夠快，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存儲器的存儲容量要適宜，如果容量過大會造成資源浪費(fèi)，如果容量過小會造成溢出或者數(shù)據(jù)采集速度過慢。

常用被測物厚度為10 mm，當(dāng)信號長度取前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×?xí)r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。該超聲波測厚系統(tǒng)最大需測量厚度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的參與，大大簡化了電路。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，操作起來統(tǒng)一方便。74ALS08是四-二輸入與門，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74ALS08的通斷進(jìn)行控制，從而對A／D和FIFO的寫時(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)

通過兩個(gè)與門分別對A／D和FIFO的寫時(shí)鐘進(jìn)行控制。因?yàn)锳D9283從模擬輸入開始到該次轉(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)線的延時(shí)效果會非常明顯，若把A／D和FIFO的時(shí)鐘連在一起，很可能過多地采到無效數(shù)據(jù)。分開控制以后，通過軟件延時(shí)，可以方便地分別對A／D和FIFO的時(shí)鐘進(jìn)行控制。調(diào)試起來相當(dāng)方便，力圖把采到無效數(shù)據(jù)的位數(shù)減至最低。AD9283的工作時(shí)序如圖2所示，CY7C4621寫時(shí)序圖如圖3所示。

采樣時(shí)。通過程序使能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的寫時(shí)鐘輸入WCLK。此時(shí)A／D開始工作，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的上升沿被依次寫入FIFO。A/D和FIFO每來一次脈沖，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)存儲器滿標(biāo)志FF輸出低電平（在未滿時(shí)輸出高電平）。把此信號接到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（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WEN1能和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、寫指針的穩(wěn)定。

4 數(shù)據(jù)采集流程

超聲波測厚系統(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

通過實(shí)際設(shè)計(jì)在基于ARM的超聲波無損檢測系統(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縫連接，解決兩者之間不匹配的問題。通過軟件設(shè)置，可以靈活調(diào)整A／D，F(xiàn)IFO及ARM的操作時(shí)序，調(diào)試簡便，保證了數(shù)據(jù)采集的安全可靠。該接口電路簡單，靈活高效，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。