基于ARM和CPLD的可重构检测系统设计

　　0引言

　　检测系统的可重构设计是检测技术的发展方向。可重构设计是指利用可重用的软硬件资源，根据不同的应用需求，灵活地改变自身体系结构的设计方法。对于检测系统而言，可重构可以分为软件可重构和硬件可重构。采用硬件可重构技术设计的检测系统具有硬件普适性，通过更换各个硬件模块或配置不同的软件代码，即可实现不同功能的检测，从而减少硬件和软件开发上的投入、缩短产品开发周期。

　　本文提出了一种基于ARM嵌入式微处理器和复杂可编程逻辑器件( CPLD) 的检测系统硬件可重构设计方法。这种结构检测系统既具有ARM微控制器体积小、集成度高、运算速度快、存储器容量大、功耗低等特点; 又具有CPLD强大的高速逻辑处理能力和方便灵活的动态可重构性，将两者结合起来使用能克服传统检测仪器的不足, 可将许多复杂的实时控制算法硬件化，减轻了MCU的负担，减少逻辑控制芯片的使用, 具有可靠性强、可重用性好性价比高突出优点。

　　1检测系统的结构

　　本文设计的可重构检测系统采用ARM芯片为主控制器, CPLD芯片为协处理器配合主控制器工作的结构。

　　1.1检测系统的总体硬件结构

　　该控制器的硬件结构如图1所示, ARM芯片的外围电路包括复位电路、实时时钟电路、存储模块、海量数据存储模块、通讯模块、LCD接口电路和触摸屏接口电路,。其中存储模块由SDRAM和NOR型FLASH 组成，SDRAM 作为ARM 的内存、存放操作系统和应用程序运行的动态数据, FLASH 存储操作系统镜像文件及一些常量参数;海量存储模块提供了IDE/CF卡接口，可以直接接入硬盘和CF卡作为采样数据的海量存储介质;通讯模块由RS- 232、USB2.0及以太网接口组成，可根据实际情况选择其中一种方式作为通讯接口。CPLD提供模数转换电路控制单元( ADC) 、可编程脉冲产生电路 、采样数据自存储逻辑控制单元、数字量输入输出电路( DI/DO) 、光电编码器输入电路和PWM 波输出电路。ARM与CPLD之间通过并行总线相连。

　　图1 基于ARM9+CPLD可重构检测系统框图

　　在上述结构中, 可将CPLD视作ARM的一个高速外设，ARM通过CPLD 间接地操作某些外围器件，充分利用CPLD 的高速逻辑处理能力对整个检测过程实现实时控制, ARM只需负责检测参数的设定和控制检测过程的开始及结束，提高了控制器的实时性，增强了控制器对外设的兼容性和扩展性。

　　以上系统设计中，我们不仅实现了硬件原理设计上的模块化，可以根据实际需要将各个模块替换成合适的芯片，实现系统的可重构性。在检测仪器的生产、维修和升级等实践中，我们发现将不同模块设计成单板形式，然后通过约定的接口连接起来，方便系统的升级和产品的系列化，也给仪器的维修带来很大便利，同时便于隔离各个模块的相互干扰，提高了系统的抗干扰和稳定性。但是对于一个高速系统，这样的设计必然会带来信号完整性问题。我们将在后面重点介绍这个问题的解决方案。