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基于MAX10的多通道小型记录仪设计方案？

来源：

2024-10-16

类别：消费电子

拍明芯城

基于MAX10的多通道小型记录仪设计方案

引言

随着科技的不断发展，数据采集在各个领域的应用越来越广泛，特别是在航天、军事以及精密设备等领域，对数据采集设备的要求日益苛刻。这些领域不仅要求设备体积小、功耗低，还要求具备多通道数据采集能力和高可靠性。传统的数据采集设备通常采用单片机等控制器控制外部AD转换芯片及众多模拟开关，存储部分常使用Flash完成，但这种方案在一些特殊应用场合存在局限性。为了满足这些需求，本文设计了一种基于MAX10的多通道小型化记录仪。

MAX10芯片介绍

MAX10是英特尔（Intel）公司推出的一款单芯片、非易失的低成本可编程逻辑器件（PLD），用于集成最佳的系统组件集。MAX10器件具有现场可编程门阵列（FPGA）功能，集成了数模转换模块，能够支持多通道数据采集。

型号系列：MAX 10 10M08
逻辑元件数量：8000 LE

MAX10 FPGA不仅具备低功耗、小尺寸的特点，还通过软核知识产权（IP）内存控制器支持DDR3 SDRAM和LPDDR2接口，非常适合视频、数据通路和嵌入式应用。此外，MAX10支持复杂的控制管理，通过Nios II软核嵌入式处理器实现软件控制的系统管理。

主控芯片型号及其在设计中的作用

在设计基于MAX10的多通道小型记录仪时，主控芯片是整个系统的核心部分，起到联系各个元件之间的桥梁作用，类似于人的大脑或电脑中的CPU。主控芯片的主要职责包括：

数据处理和压缩：处理庞大的图像数据和音频数据，并进行压缩后存储到内存卡里。例如，一个500万像素的摄像头每秒会产生450M到900M的数据。
图像修正和美化：对图像进行修正和美化，提高图像的清晰度。
自动循环和停车监控：提供自动循环录制和停车监控功能。

MAX10系列中的具体型号如10M08DCF256I7G和10M08DAF256C7G等，均适用于这种多通道记录仪的设计。以下是这些型号在设计中的详细作用：

10M08DCF256I7G

功能：集成了多通道AD采集功能，无需额外的AD转换芯片和模拟开关。
优势：体积小、功耗低、采样频率高、分辨率高。
应用：适合用于小型化、多通道数据采集设备。

10M08DAF256C7G

功能：具备非易失性存储功能，支持复杂的控制管理。
优势：编程灵活、计算速度快、支持双配置功能。
应用：适用于需要高可靠性和数据保护的应用场景。

系统设计

1. 系统总体框架

基于MAX10的多通道小型记录仪的总体系统框架包括以下几个主要模块：

内嵌AD的MAX10主控模块：负责数据采集和初步处理。
SD卡存储模块：用于存储采集到的数据。
电源与电压转换模块：提供稳定的电源供应。
串口通信模块：实现与上位机的数据传输。

2. 数据采集模块

数据采集模块是整个系统的核心部分，主要由MAX10 FPGA实现。MAX10内部集成了多通道AD采集功能，支持八路采集，采样频率为1MHz，分辨率为4096。相比传统的数据记录仪，省去了单独的AD转换芯片和众多模拟开关，体积缩小了接近四分之一。

3. 存储模块

为了满足在恶劣环境下工作的需求，系统选择SD卡作为存储设备，存储容量为32GB。SD卡具有体积小、功耗低、可靠性高等优点。在系统被撞击损毁的情况下，只需取出SD卡，即可方便回收采集的数据。

4. 电源与电压转换模块

电源与电压转换模块提供稳定的电源供应，确保整个系统能够正常工作。系统采用低功耗设计，当多路信号采集存储模块一段时间不工作时，设置MAX10进入休眠模式，可以极大降低功耗，延长电池的使用时长。

5. 串口通信模块

串口通信模块实现与上位机的数据传输。通过MAX10的Nios II软核嵌入式处理器，系统可以将SD卡中的数据读取出来，并通过串口传输到上位机中进行进一步处理和分析。

系统实现

1. 硬件实现

硬件部分主要包括MAX10 FPGA芯片、SD卡、电源模块、串口通信模块等。MAX10 FPGA芯片是整个系统的核心，负责数据采集、处理和存储控制。SD卡作为存储设备，用于存储采集到的数据。电源模块提供稳定的电源供应，确保系统能够正常工作。串口通信模块实现与上位机的数据传输。

2. 软件实现

软件部分主要包括数据采集程序、数据存储程序和串口通信程序。数据采集程序负责从多通道传感器中采集数据，并进行初步处理。数据存储程序将处理后的数据写入SD卡中。串口通信程序实现与上位机的数据传输。

在系统启动时，首先加载数据采集存储程序，MAX10开始采集数据并存储到SD卡中。当工作完毕后，通过改变控制引脚电平，MAX10启动数据读取程序，将SD卡中的数据读取出来，并通过串口传输到上位机中。

系统测试

为了验证系统的可靠性和性能，进行了以下测试：

功能测试：测试系统的八路采集通道是否能够正常采集数据。
稳定性测试：在系统采集数据期间，猛烈撞击装置破坏电路板，验证SD卡中的数据是否能够有效回收。
功耗测试：测试系统在休眠模式和正常工作模式下的功耗。

测试结果表明，系统的八个通道均能正常采集数据，在系统被撞击损毁后，依然能够有效回收SD卡中的数据。此外，系统在休眠模式下的功耗极低，大大延长了电池的使用时长。

应用前景

基于MAX10的多通道小型记录仪具有体积小、功耗低、采样通道数量多、可靠性高等优点，非常适合应用于航天、军事以及精密设备等领域。例如，在航天器中，需要采集大量的环境参数和设备状态数据，对数据采集设备的可靠性和稳定性要求极高。此外，在军事领域，数据采集设备需要经受恶劣的环境条件和强烈的冲击，基于MAX10的记录仪能够很好地满足这些需求。

结论

本文设计了一种基于MAX10的多通道小型化记录仪，利用MAX10 FPGA的集成多通道AD采集功能，实现了八路数据采集，采样频率为1MHz，分辨率为4096。系统采用SD卡作为存储设备，存储容量为32GB，能够在系统被撞击损毁后有效回收数据。测试结果表明，系统具有可靠性和稳定性高、功耗低等优点，非常适合应用于航天、军事以及精密设备等领域。