隨著人們對高空的興趣發展和研究需要，越來越多的科學實驗被科研人員搬到了空中進行，氣球探空和無人機實驗是比較典型的方法。這些科學實驗往往需要在一定的實驗條件到達時觸發某特定實驗現象，從而對發生時間非常短促且不具備可重復再現性的實驗目標數據進行高速采集。日前，筆者參與的項目中需要完成的任務是：通過無線通信實現對高空實驗設備進行控制，對整個實驗過程進行實時觀察分析(其中的實驗條件數據通過GPS接收機，紅外虛擬邏輯分析儀等設備實時采集)，待實驗到達觸發條件時，通過手動(或自動可選)的方法實施觸發，再對觸發后的實驗目標數據進行采集并傳回地面PC進行后續的分析處理。該項目采用ARM和FPGA分別作為主從處理器設計嵌入式采集系統，采用多通道A／D并行采樣實驗目標數據，系統通過基于串口的無線數傳模塊與地面實時通信。
1 系統硬件設計
系統的硬件結構原理圖如圖1所示。
在該系統設計方案中，ARM采用Samsung公司基于ARM920T的S3C2410，其主要技術指標如：支持32 b ARM指令集和16 b Thumb指令集；支持32 b的高速AMBA總線接口；帶有MMU(內存管理單元)，可以進行Linux操作系統的移植；MPU支持實時操作系統；采用五級流水線和哈佛結構，獨立的16 KB指令Cache和16 KB數據Cache，具有更高的指令和數據處理能力；支持TFT的LCD控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路帶PWM的Timer、8路10位ADC、觸摸屏接口、I2C總線接口，以及2個USB主設備接口和1個USB從設備接口等豐富的外圍設備和接口。FPGA采用AItera公司StratixⅡ系列的EP2S15器件，EP2S15現場可編程門陣列系列速度快容量高，它采用1．2 V，90 nm全銅層SRAM工藝和創新的適應邏輯模塊(ALM)結構，有最大化的性能，器件密度可達到15 600等效邏輯元(LE)，能提供419 Kb片內TriMatrix存儲器，多達12個DSP區塊有48(18 b×18 b)乘法器，用來實現高性能濾波器和其他DSP功能，支持各種高速外接存儲器接口，支持各種標準的I／O，高速差分I／O，具有豐富的外部資源以及支持多種高性能標準。
在該系統中，ARM主要負責核心處理和控制，總線實現ARM與FPGA之間的通信，存儲器負責程序和數據的存儲，其中FLASH存儲程序和文件，SDRAM存儲系統運行時的程序和數據，ARM通過GPIO連接實驗中的相關繼電器、觸發設備、輸出電壓控制設備、以及特定設備采樣A／D并進行驅動，通過FPGA擴展RS 232串口分時控制和讀取GPS接收機、紅外虛擬邏輯分析儀等設備數據，通過總線連接FPGA并控制FPGA動作來啟動和完成數據采集，通過RS232通信接口負責與地面PC的交互。本系統充分發揮了ARM芯片的強大處理能力和FPGA的高速并行能力，成功實現實驗目的。
ARM和FPGA的總線接口如圖2所示。
S3C2410通過讀寫總線上的地址來進行指令和數據的傳輸以控制EP2S15的所有動作。FPGA主要實現通過控制A／D實現數據采集，并保存至SDRAM，對ARM的讀寫信號進行譯碼以將實驗目標數據讀回ARM并傳回地面。將EP2S15直接連在S3C2410的存儲器總線上，S3C2410可以通過存儲器指令訪問EP2S15，ARM與FPGA之間的連接除了數據、地址和讀寫控制外，還有中斷信號和DMA控制信號，使ARM可接受FPGA產生的中斷和實現DMA數據傳輸。另外為了擴展S3C2410的串口，將串口連接到FPGA實現對多個設備的分時控制。
2 系統軟件設計
系統的軟件結構圖如圖3所示。
2．1 PC機控制程序
(1)通過自定義協議和無線數傳模塊，對下位機發出各種命令控制實驗的進行。
(2)對實時的實驗條件數據進行相關處理和顯示，以實現對實驗運行情況實時監控。
(3)根據實驗者要求，定義實驗觸發條件和方式，并在條件到達時發出警報。
(4)對實驗目標數據進行采集和保存，待下一步實驗分析使用。
2．2 下位機系統程序
下位機程序包括FPGA模塊子程序和ARM主體控制程序。
FPGA模塊程序又包括對ARM讀寫指令的譯碼，對A／D的驅動來采集實驗目標數據，對SDRAM驅動以保存實驗數據，對中斷信號和DMA信號的支持，對串口的設備切換支持。
ARM主體程序包括操作系統和應用程序：為了最大程度利用系統硬件資源，并且保證實時性，在ARM上移植了Linux多任務實時操作系統，內核版本為2．6，完美支持多線程以并行完成實驗中的多個控制任務，并且通過修改啟動參數以實現控制程序的自動運行；為了方便系統開發調試，該系統移植了基于LinuxUSB Gadget的USB從設備驅動，實現了把ARM連接的FLASH當成海量存儲設備進行讀寫，大大提高了開發過程中燒寫FLASH的速度，提高了開發效率，并對于地面進行試驗性實驗的大數據量高速讀寫提供了支持；設計并實現了用來支持FPGA，A／D設備、相關繼電器、觸發設備、輸出電壓控制設備的驅動；并實現了主體應用程序以完成各主要任務。
驅動模塊實現中，均采用字符設備方法，對于FPGA的驅動通過IOCTL方法以實現對多端口變長字節數的讀寫；對A／D設備則通過對連接的GPIO端口(時鐘信號和數據引腳)完全按照設備時序進行操作，考慮到實驗中特定電壓變化并不會驟變，為了數據準確采取多次讀取求均值的方法進行；對輸出電壓控制設備則對內核實現的s3c2410_gpio_set函數進行參考，實現一次調用對多個GPIO端口進行設置，以保證輸出電壓的精確跳變和控制。
主體應用程序主要包括初始化模塊、通信模塊、充電控制模塊、實驗參數設備數據讀取模塊(GPS等)、實驗目標數據采集模塊。下面是幾個主要模塊的實現過程。
(1)通信模塊
由于采用基于串口的無線數傳與PC機進行通信，項目中采用自定義協議方式，定義了相關的命令字、數據字、參數字的數據格式以及糾錯算法和握手協議，對PC機發送的命令進行解析和響應，并啟動調用其他實驗控制模塊，最后將實驗所需的數據實時傳回地面。
(2)實驗參數設備數據讀取模塊
在初始化模塊中把各實驗參數設備配置為PUSH模式，以項目中采用的GPS接收機為例，可以配置成以5 Hz的速率定時發送符合NMEA協議的GPGGA等數據的模式，每隔一定時間切換串口至GPS接收機讀取數據，按照NMEA協議對試驗中所需的數據進行解析處理，并保存至指定緩沖區以讓通信模塊實時發送回地面，其他設備類似操作。
(3)實驗目標數據采集模塊
在接收到觸發命令后，啟動FPGA進行采樣，通過輪詢或中斷方式判斷FPGA已經采集完畢后，將實驗目標數據讀至指定緩沖區，進行相關處理后傳回地面，為了保證數據準確，可采用重復發方法或較好的糾錯方法。
初始化模塊主要完成上電后對各實驗設備進行初始化，讀取PC發送的參數進行設置，其他實驗控制模塊按照實驗規程完成。
3 結 語
介紹一種采用ARM與FPGA相結合的設計，實現了適用于高空高速實驗數據采集的系統，采用S3C2410作為主控芯片，實時地將實驗數據傳輸到地面PC控制平臺，地面PC實時控制高空實驗過程并進行實驗目標數據采集。現場可編程門陣列(FPGA)采用Altera公司StratixⅡ系列的EP2S15器件，在控制4塊A／D轉換芯片的同時，將數據存貯在SDRAM中，并與S3C2410通過總線傳輸數據。由于主從處理器都采用功能強大且資源豐富的芯片，為以后的系統升級預留了大量空間。開發過程中可得的豐富資料，減輕了研發任務，提高研發速度，在較短的時間內得到性能優秀的目標系統，目前該系統已投入實際應用，取得了理想的效果。該論文的創新之處在于以新穎的設計結構同時實現了復雜實驗過程的控制和高速的數據采集，對S3C2410這款處理器強大的處理能力和豐富的I／O資源充分利用，同時以EP2S15的高速并行處理能力彌補了ARM的不足之處。該系統中的整體設計結構和流程都可以為嵌入式數控行業提供很好的借鑒作用。