基于ARM+FPGA的食用花生油質量快速檢測儀的設計

張 俊,吳明贊,王曉萍

（1.南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京210094;2.江蘇省出入境檢驗檢疫局，江蘇 南京210008）

食用油種類有很多種，各類食用油的檢測方法不盡相同。以花生油質量檢測為例，由花生油的特殊物理性質可知，花生油在 0～5℃時開始結晶[1,2]，其他種類的食用油都不是在這個溫度下結晶，利用這一特殊物理性質，在花生油結晶狀態條件下對其進行吸光度測量，花生油在不同溫度的結晶度信息是不一樣的，所以需要一個恒定的溫度環境來確保測量精度。本文給出了一種基于ARM+FPGA的便攜式免化學試劑且環境友好型花生油質量快速檢測儀的設計方案。

1 儀器工作原理與方案設計

食用油質量現場快速檢測儀是利用信號采集模塊檢測樣品油的吸光度，因為吸光度與樣品油的物質成分有關，通過吸光度可以了解樣品油的純度。

1.1 工作原理

通過ARM處理器模糊PID計算，調整FPGA產生占空比可調的脈寬調制信號PWM，驅動熱電制冷器實現恒溫控制，儀器工作原理如圖1所示。信號采集模塊由單色LED光源和光頻轉換器TSL230B組成，TSL230B根據透射光強的不同，輸出頻率不同的脈沖信號（或方波信號）。因為透射光強與吸光度有關，FPGA讀取信號采集模塊輸入不同的脈沖信號的頻率，獲得吸光度的信息，FPGA再把吸光度的信息傳送給ARM控制器數據處理，計算出花生油樣品純度信息并在顯示器上顯示。

1.2 方案設計

ARM控制器具有信息處理能力強和高集成度的特點，現在很多智能儀器都是以ARM為核心的控制系統，但隨著檢測技術的發展，智能儀器的功能越來越多，控制過程設計的信息也越來越多，以ARM為核心的控制系統已經不能完全滿足要求。而FPGA包含有大量實現組合邏輯的資源，可以完成較大規模的組合邏輯電路設計。與此同時，它還包含有相當數量的觸發器，借助這些觸發器，FPGA又能完成復雜的時序邏輯功能[11]。ARM與FPGA的綜合設計主要有以下優點：

(1)可以大幅減少外部器件的使用量。

(2)可以應用于各種場合，例如過程控制。

(3)控制對象比較多，使用一片ARM芯片與一片FPGA芯片使系統結構簡潔、靈活。

(4)可以使整個系統設計變得功能分明、結構緊湊、時序容易控制等。

根據系統需要的功能,設計了結構的總體框架圖，如圖2所示。通過鍵盤按鍵發送控制信息，檢測需要在溫度恒定的情況下完成，所以需要一個恒溫設備（熱電制冷器和溫度傳感器DS18B20組成）提供穩定的檢測環境，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光電檢測模塊（光頻轉換器TSL230B），把光電檢測模塊的數據傳送到CPU（ARM芯片+FPGA芯片組成），經過數據處理后送到LCD顯示。

2 系統功能模塊劃分

在ARM與FPGA的綜合設計中，需要系統、合理地劃分其功能，劃分的原則是面向任務。本系統設計中，ARM作為核心器件，采用16 bit數據通信，FPGA作為ARM的擴展外設備和協處理器。

由系統的工作原理可知，根據系統任務需求，整個系統的功能劃分如圖3所示。

ARM功能模塊功能如下：

(1)UART0：接RS232串行接口，與計算機上的專用測控軟件連接，相互進行數據通信。

(2)通信模塊0：與FPGA進行串行數據通信，給FPGA發送控制指令和數據，并接收FPGA發送的數據。

(3)I/O：連接LCD顯示器，顯示輸出信息；連接鍵盤按鍵，對系統發送控制信號；連接外部數字信號，本系統讀取的是溫度傳感器DS18B20的數據。

FPGA功能模塊功能如下：

(1)通信模塊 2：與 ARM進行串行數據通信，接收ARM發送的控制指令和數據，并向ARM發送數據。

(2)通用邏輯：實現存儲器控制功能。

(3)PWM：實現占空比可調的PWM輸出。

(4)計數器：對外部脈沖量頻率或方波頻率檢測。

(5)通信模塊 1：接 RS232串行通信接口，與一些外部設備連接，進行數據通信。

(6)其他擴展：用于一些備用功能的擴展，當需要增加一些功能時，不需要改變硬件就可以實現。

3 電路設計

3.1 主控核心電路設計

ARM芯片S3C44B0X和FPGA芯片EP2C5T114C8是系統的核心器件，由于時鐘頻率不同，所以它們之間采用異步串行數據通信。

3.2 電源電路設計

在整個系統設計中，系統各個部分對電源要求不一樣，電源設計非常重要，涉及到電源分配方案選擇、電源管理與監控及電源功耗三個方面的內容。在整個系統中，ARM和FPGA電壓配置如表1所示。系統需要轉換成的電壓有 5 V、3.3 V、2.5 V和1.2 V。

所用電壓轉化芯片分別為AMS1117-5、AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和 AMS1117-1.2。

在本系統中,首先用電壓轉換芯片AMS1117-5把外部直流電源的9 V電壓轉換成5 V直流電壓,電壓轉換電路如圖4(a)所示,再用電壓轉換芯片AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2把5 V直流電壓轉換成3.3 V、2.5 V 和1.2 V直流電壓，轉換電路如圖4(b)所示。

表1 系統器件配置電壓

3.3 下載配置電路設計

S3C44B0X下載配置支持的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO。其中TCK為測試時鐘輸入；TDI為測試數據輸入，數據通過TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測試數據輸出，數據通過TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測試模式選擇，用于設置JTAG接口處于某種特定的測試模式；nTRST為測試復位，輸入引腳低電平有效[4]，如圖5(a)所示。

EP2C5T144C8支持JTAG接口和主動串行ASP接口下載配置，在具體設計中，可先用JTAG方式調試程序，當程序調試無誤后，再使用主動串行ASP方式把程序固化到配置芯片。如圖 5（b）所示，JTAG為下載插座；E1為配置芯片EPCSISI8；ASP為主動串行ASP下載插座，供固化程序到配置芯片使用。

3.4 存儲系統電路設計

S3C44B0X的存儲系統具有以下主要特性：ARM體系結構所支持的最大尋址空間為4 GB(232B)，ARM體系結構將存儲器看作是從零地址開始的字節的線性組合，從零字節到第3字節放置第1個存儲的字數據，從第4個字節到第7個字節放置第2個存儲的字數據，依次排列；有8個存儲體，訪問大小均可進行改變(8 bit/16 bit/32 bit)，每個存儲體可達 32 MB,總 共 可 達 256 MB，Bank0～Bank5可 支 持ROM、SRAM 存 儲 器 ，Bank6～Bank7 可 支 持ROM、SRAM和 FP/ED0/SDRAM存儲器；有小端格式和大端格式兩種方式存儲字數據，可以通過外部引腳選擇存儲方式，在小端存儲格式中，低地址中存放字數據的低字節，高地址存放字數據的高字節，大端格式低地址中存放字數據的高字節，高地址存放字數據的低字節[4]，Flash和SDRAM存儲器電路如圖6所示。

3.5 按鍵電路設計

控制按鍵使用了4個按鍵(溫度控制、量程控制、檢測、顯示)，按鍵接口電路如圖7所示。用到的4個接口分別對應S3C44B0X的中斷接口ExINT4，ExINT5,ExINT6，Ex-INT7。從電路圖上可以看到，中斷接口通過上拉電阻被接到VDD，VDD是+3.3 V電壓,始終保持著高電平。而當有按鍵被按下時，直接接地，置成低電平引發中斷。復位電路如圖8所示。

3.6 LCD電路設計

S3C44B0X內置LCD控制器具有很強的通用性，支持單色、灰度、彩色LCD屏,通過編程可以支持不同的LCD顯示器；通過處理器內部相關控制字就能分別設置屏幕尺寸、電平極性、接口時序、數據線寬度和刷新頻率等參數；支持很多種不同規格和工作方式的STN(supertwisted nematic)液晶顯示器；還支持4位雙掃、4位單掃、8位單掃3種掃描方式的顯示方式[4]。圖9所示是LCD顯示器的外接接口電路,通過數據線可以與LCD顯示器連接使用。

4 PCB圖設計

系統使用大量的芯片,加上S3C44B0X芯片、EP2C5T144C8芯片、SST39VF160芯片、K4S641632芯片的引腳數很多，考慮制板尺寸和加工成本，有些貼片電子器件放在電路板背面，系統采用4層PCB設計。根據PCB設計規則，在設計中注意把電源線和接地線加粗減小系統環路電阻，去耦電容盡量與電源直接連接，數字電路和模擬電路布局盡量分開以減小系統干擾等，提高電子線路的工作穩定性[7]。

提出了食用花生油快速檢測儀的設計方案，運用吸光光度法檢測花生油的質量，這種檢測方法區別于傳統的化學試劑檢測方法，使得儀器使用簡單，不需要專業人員進行操作，有利于儀器推廣使用。運用ARM與FPGA綜合設計，ARM芯片的控制功能結合FPGA靈活的多硬件接口模擬特性對任務處理變得更加靈活高效，使得儀器電路結構簡單，成本低。

[1]楊欣.花生油質量檢測儀的研究[D].長春：吉林大學,2006.

[2]孫玉秋，陳波水，曾光，等.花生油及其生物柴油低溫性能的研究[J].內燃機,2008(3):50-51.

[3]廖義奎.ARM與FPGA綜合的合計及應用[M].北京:中國電力出版社,2008.

[4]杭州立泰電子.S3C44B0中文數據手冊，2004.

[5]馮智貴,吳明贊,陳曉寧，等.基于 ARM和FPGA的雷達伺服控制器設計[J].世界科技研究與發展,2008,30（6）:746-750.

[6]楊欣,姚海燕.花生油質量檢測儀的設計[J].中國西部科技,2008,7(29):52-54.

[7]倪澤峰,江中華.電路板設計與制板Protel DXP典型實例[M].北京:人民郵電出版社,2003.