??? 1儀器工作原理與方案設(shè)計(jì)

　　食用油質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀是利用信號(hào)采集模塊檢測(cè)樣品油的吸光度，因?yàn)槲舛扰c樣品油的物質(zhì)成分有關(guān)，通過(guò)吸光度可以了解樣品油的純度。

　　1.1工作原理

　　通過(guò)ARM處理器模糊PID計(jì)算，調(diào)整FPGA產(chǎn)生占空比可調(diào)的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM，驅(qū)動(dòng)熱電制冷器實(shí)現(xiàn)恒溫控制，儀器工作原理如圖1所示。信號(hào)采集模塊由單色LED光源和光頻轉(zhuǎn)換器TSL230B組成，TSL230B根據(jù)透射光強(qiáng)的不同，輸出頻率不同的脈沖信號(hào)(或方波信號(hào))。因?yàn)橥干涔鈴?qiáng)與吸光度有關(guān)，F(xiàn)PGA讀取信號(hào)采集模塊輸入不同的脈沖信號(hào)的頻率，獲得吸光度的信息，F(xiàn)PGA再把吸光度的信息傳送給ARM控制器數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出花生油樣品純度信息并在顯示器上顯示。

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　　1.2 方案設(shè)計(jì)

　　ARM控制器具有信息處理能力強(qiáng)和高集成度的特點(diǎn)，現(xiàn)在很多智能儀器都是以ARM為核心的控制系統(tǒng)，但隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器的功能越來(lái)越多，控制過(guò)程設(shè)計(jì)的信息也越來(lái)越多，以ARM為核心的控制系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足要求。而FPGA包含有大量實(shí)現(xiàn)組合邏輯的資源，可以完成較大規(guī)模的組合邏輯電路設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，它還包含有相當(dāng)數(shù)量的觸發(fā)器，借助這些觸發(fā)器，F(xiàn)PGA又能完成復(fù)雜的時(shí)序邏輯功能[11]。ARM與FPGA 的綜合設(shè)計(jì)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)可以大幅減少外部器件的使用量。

　　(2)可以應(yīng)用于各種場(chǎng)合，例如過(guò)程控制。

　　(3)控制對(duì)象比較多，使用一片ARM芯片與一片F(xiàn)PGA芯片使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、靈活。

　　(4)可以使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得功能分明、結(jié)構(gòu)緊湊、時(shí)序容易控制等。

　　根據(jù)系統(tǒng)需要的功能,設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)的總體框架圖，如圖2所示。通過(guò)鍵盤(pán)按鍵發(fā)送控制信息，檢測(cè)需要在溫度恒定的情況下完成，所以需要一個(gè)恒溫設(shè)備(熱電制冷器和溫度傳感器DS18B20組成)提供穩(wěn)定的檢測(cè)環(huán)境，光源用的是紅光LED燈，紅光照射到盛裝食用油的比色皿上，在光的透射方向上放一個(gè)光電檢測(cè)模塊(光頻轉(zhuǎn)換器TSL230B)，把光電檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)傳送到CPU(ARM芯片+FPGA芯片組成)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后送到LCD顯示。

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　　2 系統(tǒng)功能模塊劃分

　　在ARM與FPGA 的綜合設(shè)計(jì)中，需要系統(tǒng)、合理地劃分其功能，劃分的原則是面向任務(wù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，ARM作為核心器件，采用16 bit數(shù)據(jù)通信，F(xiàn)PGA作為ARM的擴(kuò)展外設(shè)備和協(xié)處理器。

　　由系統(tǒng)的工作原理可知，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)需求，整個(gè)系統(tǒng)的功能劃分如圖3所示。

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　　ARM功能模塊功能如下：

　　(1)UART0：接RS232串行接口，與計(jì)算機(jī)上的專(zhuān)用測(cè)控軟件連接，相互進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

　　(2)通信模塊0： 與FPGA進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信，給FPGA發(fā)送控制指令和數(shù)據(jù)，并接收FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　(3)I/O：連接LCD顯示器，顯示輸出信息;連接鍵盤(pán)按鍵，對(duì)系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào);連接外部數(shù)字信號(hào)，本系統(tǒng)讀取的是溫度傳感器DS18B20的數(shù)據(jù)。

　　FPGA功能模塊功能如下：

　　(1)通信模塊2：與ARM進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信，接收ARM發(fā)送的控制指令和數(shù)據(jù)，并向ARM發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　(2)通用邏輯：實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器控制功能。

　　(3)PWM：實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)的PWM輸出。

　　(4)計(jì)數(shù)器：對(duì)外部脈沖量頻率或方波頻率檢測(cè)。

　　(5)通信模塊1：接RS232串行通信接口，與一些外部設(shè)備連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

　　(6)其他擴(kuò)展：用于一些備用功能的擴(kuò)展，當(dāng)需要增加一些功能時(shí)，不需要改變硬件就可以實(shí)現(xiàn)。

　　3 電路設(shè)計(jì)

　　3.1主控核心電路設(shè)計(jì)

　　ARM芯片S3C44B0X和FPGA芯片EP2C5T114C8是系統(tǒng)的核心器件，由于時(shí)鐘頻率不同，所以它們之間采用異步串行數(shù)據(jù)通信。