基于MAX10的多通道小型記錄儀設計方案

引言

隨著科技的不斷發展，數據采集在各個領域的應用越來越廣泛，特別是在航天、軍事以及精密設備等領域，對數據采集設備的要求日益苛刻。這些領域不僅要求設備體積小、功耗低，還要求具備多通道數據采集能力和高可靠性。傳統的數據采集設備通常采用單片機等控制器控制外部AD轉換芯片及眾多模擬開關，存儲部分常使用Flash完成，但這種方案在一些特殊應用場合存在局限性。為了滿足這些需求，本文設計了一種基于MAX10的多通道小型化記錄儀。

MAX10芯片介紹

MAX10是英特爾（Intel）公司推出的一款單芯片、非易失的低成本可編程邏輯器件（PLD），用于集成最佳的系統組件集。MAX10器件具有現場可編程門陣列（FPGA）功能，集成了數模轉換模塊，能夠支持多通道數據采集。

• 型號系列：MAX 10 10M08

• 邏輯元件數量：8000 LE

MAX10 FPGA不僅具備低功耗、小尺寸的特點，還通過軟核知識產權（IP）內存控制器支持DDR3 SDRAM和LPDDR2接口，非常適合視頻、數據通路和嵌入式應用。此外，MAX10支持復雜的控制管理，通過Nios II軟核嵌入式處理器實現軟件控制的系統管理。

主控芯片型號及其在設計中的作用

在設計基于MAX10的多通道小型記錄儀時，主控芯片是整個系統的核心部分，起到聯系各個元件之間的橋梁作用，類似于人的大腦或電腦中的CPU。主控芯片的主要職責包括：

1. 數據處理和壓縮：處理龐大的圖像數據和音頻數據，并進行壓縮后存儲到內存卡里。例如，一個500萬像素的攝像頭每秒會產生450M到900M的數據。

2. 圖像修正和美化：對圖像進行修正和美化，提高圖像的清晰度。

3. 自動循環和停車監控：提供自動循環錄制和停車監控功能。

MAX10系列中的具體型號如10M08DCF256I7G和10M08DAF256C7G等，均適用于這種多通道記錄儀的設計。以下是這些型號在設計中的詳細作用：

1. 10M08DCF256I7G

• 功能：集成了多通道AD采集功能，無需額外的AD轉換芯片和模擬開關。

• 優勢：體積小、功耗低、采樣頻率高、分辨率高。

• 應用：適合用于小型化、多通道數據采集設備。

2. 10M08DAF256C7G

• 功能：具備非易失性存儲功能，支持復雜的控制管理。

• 優勢：編程靈活、計算速度快、支持雙配置功能。

• 應用：適用于需要高可靠性和數據保護的應用場景。

系統設計

1. 系統總體框架

基于MAX10的多通道小型記錄儀的總體系統框架包括以下幾個主要模塊：

• 內嵌AD的MAX10主控模塊：負責數據采集和初步處理。

• SD卡存儲模塊：用于存儲采集到的數據。

• 電源與電壓轉換模塊：提供穩定的電源供應。

• 串口通信模塊：實現與上位機的數據傳輸。

2. 數據采集模塊

數據采集模塊是整個系統的核心部分，主要由MAX10 FPGA實現。MAX10內部集成了多通道AD采集功能，支持八路采集，采樣頻率為1MHz，分辨率為4096。相比傳統的數據記錄儀，省去了單獨的AD轉換芯片和眾多模擬開關，體積縮小了接近四分之一。

3. 存儲模塊

為了滿足在惡劣環境下工作的需求，系統選擇SD卡作為存儲設備，存儲容量為32GB。SD卡具有體積小、功耗低、可靠性高等優點。在系統被撞擊損毀的情況下，只需取出SD卡，即可方便回收采集的數據。

4. 電源與電壓轉換模塊

電源與電壓轉換模塊提供穩定的電源供應，確保整個系統能夠正常工作。系統采用低功耗設計，當多路信號采集存儲模塊一段時間不工作時，設置MAX10進入休眠模式，可以極大降低功耗，延長電池的使用時長。

5. 串口通信模塊

串口通信模塊實現與上位機的數據傳輸。通過MAX10的Nios II軟核嵌入式處理器，系統可以將SD卡中的數據讀取出來，并通過串口傳輸到上位機中進行進一步處理和分析。

系統實現

1. 硬件實現

硬件部分主要包括MAX10 FPGA芯片、SD卡、電源模塊、串口通信模塊等。MAX10 FPGA芯片是整個系統的核心，負責數據采集、處理和存儲控制。SD卡作為存儲設備，用于存儲采集到的數據。電源模塊提供穩定的電源供應，確保系統能夠正常工作。串口通信模塊實現與上位機的數據傳輸。

2. 軟件實現

軟件部分主要包括數據采集程序、數據存儲程序和串口通信程序。數據采集程序負責從多通道傳感器中采集數據，并進行初步處理。數據存儲程序將處理后的數據寫入SD卡中。串口通信程序實現與上位機的數據傳輸。

在系統啟動時，首先加載數據采集存儲程序，MAX10開始采集數據并存儲到SD卡中。當工作完畢后，通過改變控制引腳電平，MAX10啟動數據讀取程序，將SD卡中的數據讀取出來，并通過串口傳輸到上位機中。

系統測試

為了驗證系統的可靠性和性能，進行了以下測試：

1. 功能測試：測試系統的八路采集通道是否能夠正常采集數據。

2. 穩定性測試：在系統采集數據期間，猛烈撞擊裝置破壞電路板，驗證SD卡中的數據是否能夠有效回收。

3. 功耗測試：測試系統在休眠模式和正常工作模式下的功耗。

測試結果表明，系統的八個通道均能正常采集數據，在系統被撞擊損毀后，依然能夠有效回收SD卡中的數據。此外，系統在休眠模式下的功耗極低，大大延長了電池的使用時長。

應用前景

基于MAX10的多通道小型記錄儀具有體積小、功耗低、采樣通道數量多、可靠性高等優點，非常適合應用于航天、軍事以及精密設備等領域。例如，在航天器中，需要采集大量的環境參數和設備狀態數據，對數據采集設備的可靠性和穩定性要求極高。此外，在軍事領域，數據采集設備需要經受惡劣的環境條件和強烈的沖擊，基于MAX10的記錄儀能夠很好地滿足這些需求。

結論

本文設計了一種基于MAX10的多通道小型化記錄儀，利用MAX10 FPGA的集成多通道AD采集功能，實現了八路數據采集，采樣頻率為1MHz，分辨率為4096。系統采用SD卡作為存儲設備，存儲容量為32GB，能夠在系統被撞擊損毀后有效回收數據。測試結果表明，系統具有可靠性和穩定性高、功耗低等優點，非常適合應用于航天、軍事以及精密設備等領域。

參考文獻

1. 朱志斌, 馬游春, 鮑愛達. 基于MAX10的多通道小型化記錄儀設計[J]. 計算機測量與控制, 2021, 29(1): 246-250.

2. 英特爾公司. MAX 10 FPGA產品手冊.

3. 昂科技術. AP8000通用燒錄器軟件更新公告.