引言

传统的分布式数据采集系统，常采用串口或以太网等方式向上位机传送数据，这种数据采集方式需要布线，不具备移动性和户外操作的能力。而作为海量存储的USB设备，具有容量大、易于携带、可靠性高等特点，非常适合户外大容量数据的采集存储。随着EDA技术的不断发展，SOPC被广泛应用于复杂的电子系统设计，而Altera公司的NIOSII处理器以其强大的快速性和灵活性，更适用于嵌入式系统，以替代传统的CPU。

本方案采用Altera公司的FPGA器件EP2C8Q208C8，嵌入NIOSII处理器，控制USB文件管理芯片CH376和A/D转换芯片TLC549完成大容量的数据采集，通过文件的方式写U盘扇区，实现对实时性要求不高的大容量现场数据快速采集存储，系统设计框图如图1所示[1]。

图1 系统设计框图

1 NIOSII处理器的大容量数据采集存储系统硬件设计

1.1 系统功能与硬件组成

本系统完成数据的实时采集存储，共有4个按键开关：KEY0系统复位按键；KEY1开始数据采集按键；KEY2停止数据采集按键；KEY3清除U盘数据文件按键。硬件组成如图2所示[23]，FPGA芯片集成了方框内的所有组件，除了NIOSII处理器外，还包括SOPC标准组件。

图2 系统硬件组成

图2中的SDRAM控制器，用于控制外接SDRAM芯片K4S641632，K4S641632执行用户程序和数据缓存；EPCS控制器，控制外部配置芯片EPCS4SI8，将程序下载到EPCS芯片和配置完成后，

将EPCS中的程序加载到SDRAM运行；JTAG UART组件，完成程序下载和调试；System ID组件能够帮助调试过程中确认系统是否正常工作；定时器组件，产生1 s的定时中断；PLL组件，用于时钟的产生和管理；三组GPIO组件，分别控制CH376工作、蜂鸣器在一次U盘写数据完成后指示、4个按键的接口。另外还有一个自定义外设组件，控制A/D转换器TLC549工作。可见，把系统的主要功能都集成在一个芯片上，真正体现了SOPC设计思想。

1.2 CH376功能简介

CH376 是文件管理控制芯片，用于处理器控制读写U 盘或者SD 卡中的文件。CH376 支持USB设备方式和USB 主机方式，并且内置USB 通信协议的基本固件、处理MassStorage海量存储设备的专用通信协议的固件、SD 卡的通信接口固件，以及FAT16、FAT32和FAT12 文件系统的管理固件。支持常用的USB 存储设备和SD 卡。CH376 支持3种通信接口：8 位并口、SPI 接口或异步串口接口。

处理器可以通过上述任何一种通信接口控制CH376 芯片，存取U 盘或者SD 卡中的文件或者与计算机通信[4]。本系统用NIOSII作为处理器，CH376工作在USBHost模式，采用8位并口的接口以文件的方式对U盘进行写扇区操作，完成大容量数据的快速采集存储。FPGA与CH376的硬件接线如图3所示[3]。

图3 FPGA与CH376的硬件接线图

1.3 自定义组件A/D控制器的设计

TLC549是美国德州仪器公司的8位串行A/D转换芯片，通过三根线完成串行数据接收。由于Altera的SOPC标准库中不带TLC549控制器，所以需要根据TLC549的工作时序，自定义外设组件。NOISII处理器通过Avalon_MM总线从机接口，将A/D转换控制器集成到SOPC系统中。A/D转换控制器adc_ctrl模块功能框图如3所示。

adc_ctrl模块采用Verilog硬件描述语言编写[5]，实现Avalon_MM从机接口和A/D转换芯片控制功能，该模块的对外接口线分成三类：第一类是系统控制信号，包括时钟信号clk和复位信号rst_n；第二类是外部A/D转换芯片的接口信号如A/D转换的数据线adc_data、片选信号线adc_cs_n、时钟线adc_clk；第三类是Avalon_MM从机接口线包括Avalon_MM总线读片选sys_cs_n、读使能sys_rd_n、读取数据线sys_rddata、A/D转换控制模块的信号描述如下[3]：

module adc_ctrl(clk,rst_n,adc_data,adc_cs_n,adc_clk,sys_cs_n,sys_rd_n,sys_rddata);

……//A/D转换状态机

always @(cstate or dchag_flag or bitnum or d17uscnt)

case(cstate)

IDLE: nstate<=TSUDL;

TSUDL:if (dchag_flag) nstate<=START; else nstate<=TSUDL;

START:if (dchag_flag) nstate<=DTRAN; else nstate<=START;

DTRAN:if (dchag_flag && (bitnum==3'd7)) nstate<= STOP; else nstate<=DTRAN;

STOP:if (dchag_flag) nstate<=TWHDL; else nstate<=STOP;

TWHDL:if(dchag_flag&&(d17uscnt==5'd18)) nstate<= IDLE;else nstate<=TWHDL;

default: nstate<=IDLE;

endcase

……//Avalon_MM接口逻辑

wire sys_rdcs_n=sys_cs_n|sys_rd_n;

reg sys_dlink;

always @(posedge clk or negedge rst_n)

if (!rst_n) sys_dlink<=1'b1;

else sys_dlink<=sys_rdcs_n;

assign sys_rddata=sys_dlink?8'hzz:adc_dinr;

在程序设计时，A/D转换芯片控制器采用三段式状态机产生TLC549芯片A/D转换的时序。Avalon_MM总线从机接口程序设计，只涉及读功能，对片选信号和读信号进行逻辑“或”，并将其结果需缓存一拍，这个缓存结果也是数据输出有效控制信号，它保证了A/D采集到的数据能在 Avalon总线的读信号上升沿被锁存[3]。

最后将自定义组件adc_ctrl封装后集成到系统中，并进行引脚分配和编译下载，完成整个SOPC的硬件设计。自定义外设A/D转换控制器功能框图如图4所示。

图4 自定义外设A/D转换控制器功能框图

2 NIOSII处理器的大容量数据采集存储系统软件设计

2.1 主程序设计思路和设计流程

系统中4个按键接到FPGA的4个GPIO，这4个GPIO口采用边沿触发中断的方式。主程序中检测到GPIO中断标志后，再判断是哪个按键中断，进行相应的子程序调用，主程序流程如图5所示。

图5 主程序流程图

主程序初始化程序包括按键初始化函数、CH376初始化函数和U盘初始化函数，中断注册包括按键中断注册、定时器中断注册和CH376中断注册[6]。

2.2 数据采集子程序设计

主程序在调用数据采集子程序时，打开定时器，等待10 KB数据采集存入SDRAM，然后通过CH376USB-Host模式以扇区写方式，每次写入20个扇区的数据，将SDRAM的数据以文件的格式存入USB移动存储器[7]，直至写完数据后将新建的文件关闭。同时，蜂鸣器发出报警声，表示一次数据采集存盘结束。每采集一次数据，新建一个文件，存一次盘。其中全局变量wjbh是每次采集文件的文件编号，每采集一次，文件编号加1。

static void shujucaiji (void){//定义静态指针变量，指向SDRAM数据缓冲区地址

unsigned short*ram=(unsigned short *) (SDRAM_BASE+0x10000);

memset (ram,0,10240);//设置数据缓冲区空间大小//启动定时器允许中断、连续计数

IOWR_ALTERA_AVALON_TIME_CONTRL(TIME_BASE,7);

while(!flag1);//等待10 KB数据采集结束

flag1=0;

IOWR_ALTERA_AVALON_TIME_CONTRL(TIME_BASE,8);//关断定时器

write_wenjian (wjbh);//将采样结果以文件形式，用//写扇区方式存入U盘

wjbh++;//wjbh为文件编号，每采集一次，文件编号加1

IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(BUZZER_BASE,0);//蜂鸣器报警

}

2.3 定时器中断程序设计

定时器每隔1 s产生一次定时中断，启一次A/D转换，将A/D转换后的数据存到SDRAM中[7]，当采集完10 KB数据后，将数据采集结束标志位flag1置1。

static void handle_TIME_interrupt (void){

IOWR_ALTERA_AVALON_TIME_STATUS(TIME_BASE,0); //清定时器中断标志位读取A/D采样值存入SDRAM，由于是16位存储器，每次存入后地址指针自动加2

*(ram++)=IORD_8DIRECT(adc_ctrl_BASE,0);

delay（）;//调延时

if (count<5120)count++;//采样满10 KB，停止采样

else{

count=0;

flag1=1;

}

}

2.4 CH376以文件方式写扇区子程序设计

FPGA通过GPIO与CH376相连，NIOSII处理器通过对GPIO的读写操作完成CH376数据和命令/状态字的读写[8]。CH376以扇区方式写数据，并以.txt文件形式保存，其中函数filename（）根据数据采样的次数，在根目录下生成文件名，例如第一次采集数据生成的文件名为/sjcj1.txt，第二次采集数据生成的文件名为/sjcj2.txt。函数write_command_to _usb（），以字节方式对CH376写1字节命令，函数send_string_to_usb（），向CH376发送字符串数据；函数write_shanqu（），将SDRAM中10 KB的数据，以扇区方式发送到U盘，并存在相应的文件下；函数write_data_to _usb，以字节方式对CH376写1字节数据。

//CH376命令定义

#define SET_FILE_NAME 0x2f

#define FILE_CREAT0x34

#define FILE_CLOSE0x0x36

……

static write_wenjian(unsigned char i){//根据文件编号，生成根目录下文件名。

wjm=filename(i);

write_command_to _usb(SET_FILE_NAME); //发送“设置文件名“命令

send_string_to_usb(wjm，12); //发送文件名

write_command_to _usb(FILE_CREAT); //发送“新建文件命令

while(ch376_intflag!=1) ; //等待发送命令完成

ch376_intflag=0;//将SDRAM数据写入第i-1扇区，每次写20个扇区，共10 KB。

write_shanqu(i);

write_command_to_usb(FILE_CLOSE);//关闭文件

write_data_to _usb(1);//更新文件长度

……

}

结语

本系统采用FPGA器件的SOPC技术，用NIOSII处理器控制CH376的USBHost模式完成大容量的数据快速采集存储，由于FPGA具有输入输出引脚多、运行速度快和可编程的特点，只要软件稍作修改，即可将数据存入SD卡中。经过软硬件的综合测试，能成功实现系统各项功能，弥补了单纯用单片机实现数据采集的不足，提高了系统的灵活性和数据的存储能力。