基于CPLD和嵌入式系統的高速數據采集系統的設計與實現

2.1嵌入式操作系統—Linux
　　Linux作為嵌入式操作系統有以下幾大優點：
　　(1)可應用于多種硬件平臺；(2)源代碼公開；(3)微內核直接提供網絡支持；(4)高度模塊化使添加部件非常簡單。
2.2硬件設計
　　整個數據采集板采用雙層設計，上層是嵌入式系統的核心板，包括嵌入式系統CPU、FLASH和SDRAM等系統基本配置。MPC860的控制總線與數據總線通過核心板100線×3的接口插座與下面的擴展板各芯片通訊。硬件的結構框圖見圖2。

　　嵌入式系統的CPU選用Motorola的MPC860芯片。它內部集成了微處理器和一些控制領域的常用外圍組件，特別適用于互聯網絡和數據通信。MPC860 PowerQUICC通信處理器可以根據用戶的不同要求提供2～4個串行通信控制器、數據緩存，各種級別的網絡協議支持。該處理器專為寬帶接入設備如路由器、集線器、交換機和網關等設計。
2.2.2系統內存
　　系統內存由3部分組成，MPC860內部集成了4KB數據Cache，以及片外擴展的Flash和SDRAM。Flash為2片Am29LV160D，總容量為4MB×8bit，用來存放ppcboot.bin和linux.bin文件。SDRAM采用2片K4S641632F，總容量為16MB×8bit。
2.2.3通用外設
　　MPC860的4個串行通信控制器(SCC)支持以太網、HDLC/SDLC、HDLC總線(用以實現基于HDLC的局域網)、AppleTalk、UART、比特流透明傳輸、基于幀的透明傳輸(CRC可選)、支持PPP(Point to Point Protocol)的異步HDLC等標準協議，只需很少的外圍芯片就可以實現串行口和USB Slave接口。MPC860外擴一片LXT905PC就方便地實現了一個10BASE?T的以太網接口。
2.2.4嵌入式系統調試
　　MPC860處理器支持BDM(背景調試模式)，完成板卡硬件檢測、下載、運行、燒寫FLASH、內核調試、單步調試等最底層的調測功能。在背景調試模式下，通過向CPU發送命令，可以實現對寄存器、系統存儲器的訪問。
　　另外，在調試時還可以使用Motorola公司的Power TAP Pro仿真器和Code Warrior IDE for PowerPC編譯環境在windows下進行應用程序的開發和調試。
2.2.5A/D轉換和CPLD電路
　　A/D采樣采用的器件為ADC08200，精度為8位，采樣頻率由20MSps至200MSps，本電路中的A/D采樣頻率為100MSps。CPLD芯片采用EPM3128ATC144-5，具有128個宏單元，可以提供2500個邏輯門，計數頻率上限為192.3MHz。A/D采樣時鐘由CPLD提供。晶振頻率為100MHz，直接接入到CPLD中，由CPLD產生累加電路的其他信號。
2.2.6CPLD器件的編程與調試
　　CPLD器件的編程采用VHDL語言。程序經過邏輯綜合(邏輯綜合的軟件為Altera公司的QuartusⅡ 4.0)后即可利用下載線通過JTAG(聯合測試行動組)接口將邏輯綜合生成的*.pof文件燒寫到CPLD器件中，然后即可測試芯片的功能。
2.2.7FIFO數據緩存電路
　　從圖1可以看出，系統中包含兩級FIFO。第一級FIFO芯片采用1片CY7C4251，容量為8KB×9bit，工作頻率為100MHz。第二級FIFO采用2片CY7C4255并聯，容量為8KB×36bit，但實際上只用了24bit數據寬度，因為8bit的A/D轉換數據累加10000次，24bit就能滿足系統的功能要求。
2.3軟件開發
　　該數據采集系統的軟件編程包括兩部分，一部分是MPC860嵌入式系統的編程；另一部分是CPLD的編程。關于CPLD的編程模式見2.2.6，這里只介紹嵌入式系統的軟件開發模式。
　　本系統采用交叉編譯的方式進行Linux應用程序的開發和調試，先將應用程序在宿主機上調試通過后，再移植到目標板。這種模式適合于大型復雜的應用，優點是程序調試方便但移植需要做一些工作。其開發流程如圖3所示。