超声波无损检测系统的A/D与ARM接口设计

在高频超声波数据采集系统中，很多高速A／D转换器往往不能直接与处理器相连接，这时就需要使用FIFO在处理器与A／D转换器之间架一座桥梁，FIFO的先入先出特性可以方便缓存大量的数据块。在基于ARM的超声波测厚系统中，所用为1 MHz以上的高频超声波探头，测量数据经A／D转换后频率与ARM处理器的数据接收能力不匹配，因此需在A／D与ARM处理之间连接一个FIFO来解决以上问题。该设计选用AD公司的A／D芯片AD9283，FIFO选用Cyperss公司的CY7C4261，两者的最大采样频率都是100 MHz。ARM采用Samsung公司的S3C2410处理器。三者都具有很强的外部接口能力，方便构成无缝连接，硬件接口电路简单，调试方便。

1 芯片选型

1．1 S3C2410处理器

S3C2410处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，采用0．18μm制造工艺的32位微控制器。该处理器拥有：独立的16 KB指令Cache和16 KB数据CACHE，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，4路带PWM的Timer，I／O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，I2C-BUS接口，IIS-BUS接口，2个USB主机，1个USB设备，SD主机和MMC接口，2路SPI。S3C2410是16／32位RISC体系结构处理器，使用ARM920T CPU核的强大指令集，处理器最高可运行在203 MHz。

1．2 AD9283高速模数转换器

在超声波无损检测系统中，超声波探头的频率一般是2～10 MHz。取探头频率为5 MHz，根据采样定理，采样频率最好是探头频率的5～8倍，因此A／D芯片选用AD公司的AD9283，它的最大采样速率达100 MHz，可以满足系统要求。

1．3 FIFO存储器CY7C4261

FIFO存储器作为A／D与ARM之间的桥梁，其参数指标直接影响数据的采集速度。首先，FIFO存储器的读／写速度要足够快，为方便调试，最好能和A／D器件的最大速度相一致；其次，FIFO存储器的存储容量要适宜，如果容量过大会造成资源浪费，如果容量过小会造成溢出或者数据采集速度过慢。

常用被测物厚度为10 mm，当信号长度取前8个波峰，整个系统工作在极限频率100 MHz的情况下，有如下计算：

采样次数=采样速率×时间

=采样速率×（2×厚度×8／超声波速度）

=100×2×0．01×8／5 900

=2 712次

即需要将近3 KB的缓存。该超声波测厚系统最大需测量厚度50 mm的物体，故需要容量15 K×8 B的FIFO。因此FIFO的深度要大于15 KB；宽度大于A／D的位数，即大于8位；最大工作速率100 MHz，与A／D采样速率相一致。该设计选用CY公司的FIFO存储器CY7C4261，其最大采样速率达100 MHz，与AD9283最大采样速率相同；容量为16 KB×9 B，可以满足数据量要求。

2 接口设计

AD9283是8位模／数转换器，CY7C4261是9位FIFO，S3C2410的数据总线是32位。CY7C4261只需接S3C2410的低8位DO～D7。由于FIFO的先入先出结构，系统中不需要任何地址线的参与，大大简化了电路。A／D采样所得数据要实时送入FIFO，两者的写时钟频率必须一样，且AD9283和CY7C4261的最小时钟输入都是10 ns，操作起来统一方便。74ALS08是四-二输入与门，把ARM的脉宽调制波输出口中的TOUTl（GPBl），TOUT2（GPB2）配置为通用输出口，对74ALS08的通断进行控制，从而对A／D和FIFO的写时钟进行控制。S3C2410的CLKOUTO与CY7C4261的RCLK相连为FIFO提供读时钟。CY7C4261的全满标志位FF与S3C2410的外部中断EINTl相连用以触发外部中断。S3C2410的nRSTOUTl与CY7C4261的RS相连用以复位FIFO。接口框图如图1所示。

3 时序设计

通过两个与门分别对A／D和FIFO的写时钟进行控制。因为AD9283从模拟输入开始到该次转换的数据出现在输出口上需要4个时钟周期，并且在高速度采样时导线的延时效果会非常明显，若把A／D和FIFO的时钟连在一起，很可能过多地采到无效数据。分开控制以后，通过软件延时，可以方便地分别对A／D和FIFO的时钟进行控制。调试起来相当方便，力图把采到无效数据的位数减至最低。AD9283的工作时序如图2所示，CY7C4621写时序图如图3所示。

采样时。通过程序使能TOUTl，TOUT2输出为1。此时采样时钟脉冲与TOUTl，TOUT2相与后被分别送入AD9283的时钟输入ENCODE和CY7C4621的写时钟输入WCLK。此时A／D开始工作，A／D将转换数据送至自己的输出口D0～D7。当写使能WEN1为低、WEN2为高的时候，A／D输出口上的数据在WCLK的上升沿被依次写入FIFO。A/D和FIFO每来一次脉冲，便完成一次模／数转换并把数据顺序存入FIFO。CY7C4261的数据最大储存容量是16 KB，在完成了1 6 KB次转换之后，CY7C426l将不能再存入新的数据，此时存储器满标志FF输出低电平（在未满时输出高电平）。把此信号接到S3C2410的外部中断EINTl上，利用它由高到低的变化产生中断，以表明一组数据采集完成。

在中断中，ARM首先迅速关闭采样脉冲信号（使TOUTl和TOUT2）的输出为0，停止A／D和FIFO的工作。ARM外部时钟信号CLKOUTO与FIFO的读输入RCLK接在一起，ARM每执行一次I／O读操作，cLKOUT0便向RCLK发出一脉冲。把FIFO读使WEN1能和WEN2置为低，同时连续执行16 K次I／O读操作，数据便依次从CY7C4261送入S3C2410系统，整个数据采集工作就此完成。在进行每一次数据的采集前，将CY7C4261先复位，把S3C24-10的nRSTOUTl配置为通用输出口，给CY7C4261的RS引脚输入一个不小于10 ns的低脉冲，即在ARM的nRSTOUTl引脚输出一个低脉冲。这样可以更充分地保证FIFO的读、写指针的稳定。

4 数据采集流程

超声波测厚系统数据采集工作流程主要包括ARM初始化、输入激励脉冲、使能外部中断、时钟送入A／D、FIFO、等待中断。停止A／D及FIFO，ARM读数据，复位FIFO。流程图如图4所示。

5 结语

通过实际设计在基于ARM的超声波无损检测系统中，采用FIFO可以使高速A／D与ARM处理器之间得到很好的无缝连接，解决两者之间不匹配的问题。通过软件设置，可以灵活调整A／D，FIFO及ARM的操作时序，调试简便，保证了数据采集的安全可靠。该接口电路简单，灵活高效，具有很高的应用价值。