基于用FIFO實現超聲測厚系統A/D與ARM接口設計

　　在高頻超聲波數據采集系統中，很多高速A／D轉換器往往不能直接與處理器相連接，這時就需要使用FIFO在處理器與A／D轉換器之間架一座橋梁，FIFO的先入先出特性可以方便緩存大量的數據塊。在基于ARM的超聲波測厚系統中，所用為1 MHz以上的高頻超聲波探頭，測量數據經A／D轉換后頻率與ARM處理器的數據接收能力不匹配，因此需在A／D與ARM處理之間連接一個FIFO來解決以上問題。該設計選用AD公司的A／D芯片AD9283，FIFO選用Cyperss公司的CY7C4261，兩者的采樣頻率都是100 MHz。ARM采用Samsung公司的S3C2410處理器。三者都具有很強的外部接口能力，方便構成無縫連接，硬件接口電路簡單，調試方便。

　　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：獨立的16 KB指令Cache和16 KB數據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USB主機，1個USB設備，SD主機和MMC接口，2路SPI。S3C2410是16／32位RISC體系結構處理器，使用ARM920T CPU核的強大指令集，處理器可運行在203 MHz。

　　1．2 AD9283高速模數轉換器

　　在超聲波無損檢測系統中，超聲波探頭的頻率一般是2～10 MHz。取探頭頻率為5 MHz，根據采樣定理，采樣頻率是探頭頻率的5～8倍，因此A／D芯片選用AD公司的AD9283，它的采樣速率達100 MHz，可以滿足系統要求。

　　1．3 FIFO存儲器CY7C4261

　　FIFO存儲器作為A／D與ARM之間的橋梁，其參數指標直接影響數據的采集速度。首先，FIFO存儲器的讀／寫速度要足夠快，為方便調試，能和A／D器件的速度相一致；其次，FIFO存儲器的存儲容量要適宜，如果容量過大會造成資源浪費，如果容量過小會造成溢出或者數據采集速度過慢。

　　常用被測物厚度為10 mm，當信號長度取前8個波峰，整個系統工作在極限頻率100 MHz的情況下，有如下計算：

　　采樣次數=采樣速率×時間

　　=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，即大于8位；工作速率100 MHz，與A／D采樣速率相一致。該設計選用CY公司的FIFO存儲器CY7C4261，其采樣速率達100 MHz，與AD9283采樣速率相同；容量為16 KB×9 B，可以滿足數據量要求。

　　2 接口設計

　　AD9283是8位模／數轉換器，CY7C4261是9位FIFO，S3C2410的數據總線是32位。CY7C4261只需接S3C2410的低8位DO～D7。由于FIFO的先入先出結構，系統中不需要任何地址線的參與，大大簡化了電路。A／D采樣所得數據要實時送入FIFO，兩者的寫時鐘頻率必須一樣，且AD9283和CY7C4261的時鐘輸入都是10 ns，操作起來統一方便。74ALS08是四-二輸入與門，把ARM的脈寬調制波輸出口中的TOUTl（GPBl），TOUT2（GPB2）配置為通用輸出口，對74ALS08的通斷進行控制，從而對A／D和FIFO的寫時鐘進行控制。S3C2410的CLKOUTO與CY7C4261的RCLK相連為FIFO提供讀時鐘。CY7C4261的全滿標志位FF與S3C2410的外部中斷EINTl相連用以觸發外部中斷。S3C2410的nRSTOUTl與CY7C4261的RS相連用以復位FIFO。接口框圖如圖1所示。

　　3 時序設計

　　通過兩個與門分別對A／D和FIFO的寫時鐘進行控制。因為AD9283從模擬輸入開始到該次轉換的數據出現在輸出口上需要4個時鐘周期，并且在高速度采樣時導線的延時效果會非常明顯，若把A／D和FIFO的時鐘連在一起，很可能過多地采到無效數據。分開控制以后，通過軟件延時，可以方便地分別對A／D和FIFO的時鐘進行控制。調試起來相當方便，力圖把采到無效數據的位數減至。AD9283的工作時序如圖2所示，CY7C4621寫時序圖如圖3所示。

　　采樣時。通過程序使能TOUTl，TOUT2輸出為1。此時采樣時鐘脈沖與TOUTl，TOUT2相與后被分別送入AD9283的時鐘輸入ENCODE和CY7C4621的寫時鐘輸入WCLK。此時A／D開始工作，A／D將轉換數據送至自己的輸出口D0～D7。當寫使能WEN1為低、WEN2為高的時候，A／D輸出口上的數據在WCLK的上升沿被依次寫入FIFO。A/D和FIFO每來脈沖，便完成模／數轉換并把數據順序存入FIFO。CY7C4261的數據儲存容量是16 KB，在完成了1 6 KB次轉換之后，CY7C426l將不能再存入新的數據，此時存儲器滿標志FF輸出低電平（在未滿時輸出高電平）。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生中斷，以表明一組數據采集完成。

　　在中斷中，ARM首先迅速關閉采樣脈沖信號（使TOUTl和TOUT2）的輸出為0，停止A／D和FIFO的工作。ARM外部時鐘信號CLKOUTO與FIFO的讀輸入RCLK接在一起，ARM每執行I／O讀操作，cLKOUT0便向RCLK發出一脈沖。把FIFO讀使WEN1能和WEN2置為低，同時連續執行16 K次I／O讀操作，數據便依次從CY7C4261送入S3C2410系統，整個數據采集工作就此完成。在進行每數據的采集前，將CY7C4261先復位，把S3C24-10的nRSTOUTl配置為通用輸出口，給CY7C4261的RS引腳輸入一個不小于10 ns的低脈沖，即在ARM的nRSTOUTl引腳輸出一個低脈沖。這樣可以更充分地保證FIFO的讀、寫指針的穩定。

　　4 數據采集流程

　　超聲波測厚系統數據采集工作流程主要包括ARM初始化、輸入激勵脈沖、使能外部中斷、時鐘送入A／D、FIFO、等待中斷。停止A／D及FIFO，ARM讀數據，復位FIFO。流程圖如圖4所示。

　　5 結語

　　通過實際設計在基于ARM的超聲波無損檢測系統中，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。通過軟件設置，可以靈活調整A／D，FIFO及ARM的操作時序，調試簡便，保證了數據采集的安全可靠。該接口電路簡單，靈活高效，具有很高的應用價值。