基于ARM和FPGA的微加速度计数据采集系统设计

摘要：基于常用的MEMS惯性器件微型加速度计，介绍一种采用ARM和FPGA架构来采集加速度数值的设计方案，微加速度计的模拟输出信号经A／D芯片转换后由FPGA进行处理和缓存，然后ARM接收FPGA的输出数据并对数据进行显示和存储．对如何用FPGA实现该数据采集系统的传输控制和数据缓存，以及FPGA与A／D转换芯片和ARM的接口设计给出了说明，实现了加速度数值的采集、传输、显示和存储，该方法配置灵活、通用性强，可以较好地移植到相关器件的数据采集系统中。
关键词：数据采集；微加速度计；FPGA；ARM；TLC0820

0 引言
加速度计是一种应用十分广泛的惯性传感器，它可以用来测量运动系统的加速度。目前的加速度计大多采用微机电技术(MEMS)进行设计和制造的微型加速度计，由于采用了微机电技术，其设计尺寸大大缩小，一个MEMS加速度计只有指甲盖的一小部分，MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。
随着微加速度计的应用越来越广泛，对于微加速度计的数据信号采集和存储变得极为重要。传统的数据采集方法多数是用单片机完成的，其编程简单、控制灵活，但缺点是控制周期长、速度慢，特别是对高速转换的数据来说，单片机的慢速度极大地限制了数据传输速度。而FPGA(现场可编程门阵列)具有单片机无法比拟的优势。FPGA时钟频率高，内部延时小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快、效率高，适于大数据量的高速传输控制。在高速数据采集方面，FPGA有单片机无法比拟的优势，然而单片机的接口丰富，数据处理能力强，便于完成数据的显示和存储等操作。
综合单片机与FPGA的优点，这里介绍一种基于ARM和FPGA的微加速度计数据采集存储系统，结合MXR6150G／M加速度计传感器和TLC0820-A／D转换芯片，提供了一种配置灵活、通用性强的数据采集方案。

1 系统整体设计方案
图1是数据采集系统的总体结构框图，该系统主要由双轴加速度计、A／D转换器、FPGA和ARM处理器四大部分组成。双轴加速度计输出两路模拟信号，分别代表z轴与y轴的加速度值，通过A／D转换芯片把输入的两路模拟信号转换为8位的数字信号，FPGA接收来自A／D转换芯片的数字信号，并对数字信号进行处理，处理后的数据经过FPGA中的FIFO存储器缓存后由ARM处理器采取中断方式接收采集，采集到的数据可以通过串口通信在PC机上实时显示，也可以通过IDE接口存储到大容量硬盘。