随着人们对高空的兴趣发展和研究需要，越来越多的科学实验被科研人员搬到了空中进行，气球探空和无人机实验是比较典型的方法。这些科学实验往往需要在一定的实验条件到达时触发某特定实验现象，从而对发生时间非常短促且不具备可重复再现性的实验目标数据进行高速采集。日前，笔者参与的项目中需要完成的任务是：通过无线通信实现对高空实验设备进行控制，对整个实验过程进行实时观察分析(其中的实验条件数据通过GPS接收机，红外虚拟逻辑分析仪等设备实时采集)，待实验到达触发条件时，通过手动(或自动可选)的方法实施触发，再对触发后的实验目标数据进行采集并传回地面PC进行后续的分析处理。该项目采用ARM和FPGA分别作为主从处理器设计嵌入式采集系统，采用多通道A／D并行采样实验目标数据，系统通过基于串口的无线数传模块与地面实时通信。

1 系统硬件设计
    系统的硬件结构原理图如图1所示。

在该系统设计方案中，ARM采用Samsung公司基于ARM920T的S3C2410，其主要技术指标如：支持32 b ARM指令集和16 b Thumb指令集；支持32 b的高速AMBA总线接口；带有MMU(内存管理单元)，可以进行Linux操作系统的移植；MPU支持实时操作系统；采用五级流水线和哈佛结构，独立的16 KB指令Cache和16 KB数据Cache，具有更高的指令和数据处理能力；支持TFT的LCD控制器、NAND闪存控制器、3路UART、4路带PWM的Timer、8路10位ADC、触摸屏接口、I2C总线接口，以及2个USB主设备接口和1个USB从设备接口等丰富的外围设备和接口。FPGA采用AItera公司StratixⅡ系列的EP2S15器件，EP2S15现场可编程门阵列系列速度快容量高，它采用1．2 V，90 nm全铜层SRAM工艺和创新的适应逻辑模块(ALM)结构，有最大化的性能，器件密度可达到15 600等效逻辑元(LE)，能提供419 Kb片内TriMatrix存储器，多达12个DSP区块有48(18 b×18 b)乘法器，用来实现高性能滤波器和其他DSP功能，支持各种高速外接存储器接口，支持各种标准的I／O，高速差分I／O，具有丰富的外部资源以及支持多种高性能标准。
    在该系统中，ARM主要负责核心处理和控制，总线实现ARM与FPGA之间的通信，存储器负责程序和数据的存储，其中FLASH存储程序和文件，SDRAM存储系统运行时的程序和数据，ARM通过GPIO连接实验中的相关继电器、触发设备、输出电压控制设备、以及特定设备采样A／D并进行驱动，通过FPGA扩展RS 232串口分时控制和读取GPS接收机、红外虚拟逻辑分析仪等设备数据，通过总线连接FPGA并控制FPGA动作来启动和完成数据采集，通过RS232通信接口负责与地面PC的交互。本系统充分发挥了ARM芯片的强大处理能力和FPGA的高速并行能力，成功实现实验目的。
    ARM和FPGA的总线接口如图2所示。