基于FPGA/ARM平台的高性能电化学工作站设计

摘要

传统电化学工作站一般都是采用单片机作为处理器,控制A/D和D/A转换器实现模拟信号的输入与输出。采用这种方案实现起来较为简单方便,只需对单片机进行编程即可。但随着电化学测量对电化学工作站的速度和精度提出更高要求,传统的单片机由于时钟频率较低,外设速度慢等缺点已经大大限制了系统的速度和性能。而ARM和FPGA的组合与单片机相比,有着频率高、内部延时小、存储容量大等优点,比单片机更适合于高性能电化学工作站的设计。
　　本文以电化学测量基础为出发点,基于高速高精度模数电路提出了一套电化学工作站的实施方案,并对所涉及方案进行了原理性验证工作。方案主体包括:基于ARM与FPGA平台的信号处理中心,基于双通道高速16bitAD/DA转换器的模拟信号调理单元(包括DDS波形信号发生器和DMA双通道同步高速数据采集模块),以及隔离通信单元(包括USB端口和TCP/IP网络接口)。
　　系统硬件方面,ARM与FPGA共同完成电化学工作站的控制与信号处理。以基于Windows平台的计算机作为上位机,负责人机界面交互、电化学方法参数设置、图形/数据的实时显示以及分析和计算。电化学工作站作为下位机与PC机软件通过USB完成数据交互,而工作站内的ARM作为主控芯片用于接收解析上位机指令和采集数据的上传,FPGA挂载高速A/D转换器和D/A转换器,用于完成DDS波形产生和DMA同步数据采集。FPGA系统内核采用VerilogHDL程序编写。
　　最后,以交流阻抗和循环伏安测试方法对所设计的高性能电化学工作站原型机进行了性能测试,结果表明:原型机AD采样速率可达10MHz,电位分辨率可达10uV;DDS正弦波发生频率可从10Hz~1MHz无级改变,频率输出精度为0.1％。技术指标基本达到设计要求。

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1 绪论

1.1电化学工作站

1.2电化学工作站国内外现状

1.3课题的提出，意义及研究内容

2 电化学工作站设计方案选定

2.1电化学工作站两种设计方案

2.2基于Nios内核的设计方案

2.3基于FPGA/ARM平台的设计方案

2.4优选方案

3 电化学工作站数字部分电路设计

3.1FPGA与ARM通信接口

3.2高速波形信号发生器

3.3片外SRAM功能分配

3.4高速数据采集模块

3.5USB隔离模块

3.6电化学工作站控制板设计

4 电化学工作站数字部分软件设计

4.1ARM与FPGA软件功能

4.2ARM与FPGA的SPI接口模块编程实现

4.3片外SRAM的编程实现

4.4高速A/D模块编程实现

4.5DDS模块编程实现

5 仪器调试与功能验证

5.1FPGA仿真与调试

5.2电化学工作站实测检验

6 总结与展望

致谢

参考文献