??? 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。