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(zhì)量檢測為例,，由花生油的特殊物理性質(zhì)可知,，花生油在0～5℃時開始結(jié)晶[1,2]，其他種類的食用油都不是在這個溫度下結(jié)晶,，利用這一特殊物理性質(zhì),，在花生油結(jié)晶狀態(tài)條件下對其進行吸光度測量，花生油在不同溫度的結(jié)晶度信息是不一樣的,，所以需要一個恒定的溫度環(huán)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(xué)試劑且環(huán)境友好型花生油質(zhì)量快速檢測儀的設(shè)計方案。
1儀器工作原理與方案設(shè)計
    食用油質(zhì)量現(xiàn)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(zhì)成分有關(guān),，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(diào)整FPGA產(chǎn)生占空比可調(diào)的脈寬調(diào)制信號PWM,，驅(qū)動熱電制冷器實現(xiàn)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(zhuǎn)換器TSL230B組成,，TSL230B根據(jù)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(guān),，F(xiàn)PGA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，F(xiàn)PGA再把吸光度的信息傳送給ARM控制器數(shù)據(jù)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(shè)計
    ARM控制器具有信息處理能力強和高集成度的特點，現(xiàn)在很多智能儀器都是以ARM為核心的控制系統(tǒng),，但隨著檢測技術(shù)的發(fā)展,，智能儀器的功能越來越多，控制過程設(shè)計的信息也越來越多,，以ARM為核心的控制系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足要求,。而FPGA包含有大量實現(xiàn)組合邏輯的資源，可以完成較大規(guī)模的組合邏輯電路設(shè)計,。與此同時,，它還包含有相當(dāng)數(shù)量的觸發(fā)器，借助這些觸發(fā)器,，F(xiàn)PGA又能完成復(fù)雜的時序邏輯功能[11],。ARM與FPGA 的綜合設(shè)計主要有以下優(yōu)點：
　(1)可以大幅減少外部器件的使用量。
　(2)可以應(yīng)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F(xiàn)PGA芯片使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔,、靈活,。
　(4)可以使整個系統(tǒng)設(shè)計變得功能分明、結(jié)構(gòu)緊湊,、時序容易控制等,。
　根據(jù)系統(tǒng)需要的功能,設(shè)計了結(jié)構(gòu)的總體框架圖，如圖2所示,。通過鍵盤按鍵發(fā)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(shè)備（熱電制冷器和溫度傳感器DS18B20組成）提供穩(wěn)定的檢測環(huán)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(zhuǎn)換器TSL230B），把光電檢測模塊的數(shù)據(jù)傳送到CPU（ARM芯片+FPGA芯片組成）,，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后送到LCD顯示,。

2 系統(tǒng)功能模塊劃分
    在ARM與FPGA 的綜合設(shè)計中，需要系統(tǒng),、合理地劃分其功能,，劃分的原則是面向任務(wù)。本系統(tǒng)設(shè)計中,，ARM作為核心器件,，采用16 bit數(shù)據(jù)通信，F(xiàn)PGA作為ARM的擴展外設(shè)備和協(xié)處理器,。
    由系統(tǒng)的工作原理可知,，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)需求，整個系統(tǒng)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(shù)據(jù)通信,。
    (2)通信模塊0： 與FPGA進行串行數(shù)據(jù)通信,，給FPGA發(fā)送控制指令和數(shù)據(jù),，并接收FPGA發(fā)送的數(shù)據(jù),。
    (3)I/O：連接LCD顯示器，顯示輸出信息,；連接鍵盤按鍵,，對系統(tǒng)發(fā)送控制信號；連接外部數(shù)字信號,，本系統(tǒng)讀取的是溫度傳感器DS18B20的數(shù)據(jù),。
    FPGA功能模塊功能如下：
    (1)通信模塊2：與ARM進行串行數(shù)據(jù)通信，接收ARM發(fā)送的控制指令和數(shù)據(jù),，并向ARM發(fā)送數(shù)據(jù),。
    (2)通用邏輯：實現(xiàn)存儲器控制功能。
    (3)PWM：實現(xiàn)占空比可調(diào)的PWM輸出,。
    (4)計數(shù)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(shè)備連接,，進行數(shù)據(jù)通信,。
    (6)其他擴展：用于一些備用功能的擴展，當(dāng)需要增加一些功能時,，不需要改變硬件就可以實現(xiàn),。
3 電路設(shè)計
3.1主控核心電路設(shè)計
    ARM芯片S3C44B0X和FPGA芯片EP2C5T114C8是系統(tǒng)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(shù)據(jù)通信,。
3.2電源電路設(shè)計
    在整個系統(tǒng)設(shè)計中,，系統(tǒng)各個部分對電源要求不一樣，電源設(shè)計非常重要,，涉及到電源分配方案選擇,、電源管理與監(jiān)控及電源功耗三個方面的內(nèi)容。在整個系統(tǒng)中,，ARM和FPGA電壓配置如表1所示,。系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)換成的電壓有5 V、3.3 V,、2.5 V和1.2 V,。
　所用電壓轉(zhuǎn)化芯片分別為AMS1117-5、AMS1117-3.3,、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2,。
　在本系統(tǒng)中,首先用電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-5把外部直流電源的9 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V直流電壓,電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4(a)所示,再用電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2把5 V直流電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V,、2.5 V 和1.2 V直流電壓,，轉(zhuǎn)換電路如圖4(b)所示。

3.3下載配置電路設(shè)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(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI引腳輸入JTAG接口,；TDO為測試數(shù)據(jù)輸出,，數(shù)據(jù)通過TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測試模式選擇,，用于設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測試模式,；nTRST為測試復(fù)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(shè)計中,，可先用JTAG方式調(diào)試程序,，當(dāng)程序調(diào)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(tǒng)電路設(shè)計
　S3C44B0X的存儲系統(tǒng)具有以下主要特性：ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4 GB(232 B)，ARM體系結(jié)構(gòu)將存儲器看作是從零地址開始的字節(jié)的線性組合,，從零字節(jié)到第3字節(jié)放置第1個存儲的字?jǐn)?shù)據(jù),，從第4個字節(jié)到第7個字節(jié)放置第2個存儲的字?jǐn)?shù)據(jù)，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?jǐn)?shù)據(jù)，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?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié),，大端格式低地址中存放字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié),，高地址存放字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)[4]，F(xiàn)lash和SDRAM存儲器電路如圖6所示,。

3.5 按鍵電路設(shè)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(yīng)S3C44B0X的中斷接口ExINT4,，ExINT5,ExINT6，ExINT7,。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(dāng)有按鍵被按下時,，直接接地，置成低電平引發(fā)中斷,。復(fù)位電路如圖8所示,。

3.6 LCD電路設(shè)計
    S3C44B0X內(nèi)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(nèi)部相關(guān)控制字就能分別設(shè)置屏幕尺寸、電平極性,、接口時序,、數(shù)據(jù)線寬度和刷新頻率等參數(shù)；支持很多種不同規(guī)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(shù)據(jù)線可以與LCD顯示器連接使用,。

4 PCB圖設(shè)計
　系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)采用4層PCB設(shè)計。根據(jù)PCB設(shè)計規(guī)則,，在設(shè)計中注意把電源線和接地線加粗減小系統(tǒng)環(huán)路電阻,，去耦電容盡量與電源直接連接，數(shù)字電路和模擬電路布局盡量分開以減小系統(tǒng)干擾等,，提高電子線路的工作穩(wěn)定性[7],。
    提出了食用花生油快速檢測儀的設(shè)計方案，運用吸光光度法檢測花生油的質(zhì)量,，這種檢測方法區(qū)別于傳統(tǒng)的化學(xué)試劑檢測方法,，使得儀器使用簡單，不需要專業(yè)人員進行操作,，有利于儀器推廣使用,。運用ARM與FPGA綜合設(shè)計， ARM芯片的控制功能結(jié)合FPGA靈活的多硬件接口模擬特性對任務(wù)處理變得更加靈活高效,，使得儀器電路結(jié)構(gòu)簡單,，成本低。
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