基于SOPC技術的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方法

李海波，許建明

邵陽學院信息工程系，湖南邵陽 422000

基于SOPC技術的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方法

李海波，許建明

邵陽學院信息工程系，湖南邵陽 422000

本文提出一種以SOPC技術為基礎的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方法，包括系統(tǒng)設計的總體思路、系統(tǒng)處置與數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)的實現(xiàn)等內容，以提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行的實時性、穩(wěn)定性。

SOPC技術；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；設計

SOPC技術源自SOC技術，主要特征為可編程性。一般SOPC的設計環(huán)境為SOPC Builder，主要集成于QuartusII中。在SOPC Builder中，具有友好的用戶圖形界面，用戶可以通過界面中提供的IP庫選擇組件，如I/O、Flash、處理器等，并選擇相應參數(shù)。另外，SOPC還有一個非常重要的功能：設計SOPC過程中，如果用戶提出特殊要求，但是IP庫中卻沒有，用戶就可以通過自定義邏輯來滿足要求。

1 SOPC技術的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計總體思路

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為DSP信號處理系統(tǒng)的一部分，整個系統(tǒng)包括放大信號、信號采樣、信號濾波、高速處理數(shù)字信號、與計算器的數(shù)據(jù)傳輸接口相連等若干個部分。其中，放大信號主要是調理輸入信號，符合采樣要求；信號采樣是將模擬信號轉化為數(shù)字信號；信號濾波主要為了避免產(chǎn)生信號混疊現(xiàn)象；高速處理數(shù)字信號是建立在隨機共振模型基礎上，完善各種計算方法。

在應用Verilog HDL設計技術的基礎上，實現(xiàn)自動在FIFO中存儲數(shù)據(jù)以及硬件控制A/D轉換，通過DSP系統(tǒng)輸出的具體時間來確定采樣頻率。隨著采樣數(shù)據(jù)的增加，直到達到一幀，F(xiàn)IFO就會向DSP發(fā)出中斷申請信號，由DSP系統(tǒng)將DMA開啟，并完成數(shù)據(jù)的讀取過程。在這期間，數(shù)據(jù)采集不中斷，可實現(xiàn)連續(xù)性的實時數(shù)據(jù)采集與處理。在設計SOPC過程中，有些系統(tǒng)的功能可以直接通過IP數(shù)據(jù)庫來完成，但是有時候IP庫中的功能不夠靈活。為了解決這一問題，就可通過客戶的自定義功能來滿足邏輯性。

2 系統(tǒng)配置與數(shù)據(jù)通信

2.1 系統(tǒng)配置

在該系統(tǒng)中，應用了大規(guī)模的FPGA嵌入式雙NIOSII軟核處理器，每個處理器都設定了獨立的時鐘，確保雙核工作時間，同時提供了可以自行控制的獨立區(qū)域。系統(tǒng)的主控制軟件基于C語言設計，部分邏輯模塊采取VHDL程序設計。因此，內部模塊之間的數(shù)據(jù)交換具有一定可測試性，且可靠性較高，系統(tǒng)處理效率高。系統(tǒng)的主控器件是FPGA32位嵌入式的CPU系統(tǒng)，系統(tǒng)中各個功能模塊在雙核處理器的配合下完成工作。在SOPC內核中，CPU分別與外部邏輯單元連接、外設控制接口，負責系統(tǒng)的采集和存儲功能。另外，在系統(tǒng)中實現(xiàn)Avalon和SDRAM的總線相連，兼容實現(xiàn)雙核CPU功能，提高系統(tǒng)運行的安全性、可靠性，確保圖像數(shù)據(jù)采集存儲的真實性、完整性。

2.2 數(shù)據(jù)通信

在該系統(tǒng)中，兩個處理器分別獨立，但是共享同一個SDRAM，在SDRAM的內部區(qū)域合理分配，確保每個處理器之間的協(xié)調運作，提高處理器的獨立性。在整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA中的雙核處理器之間數(shù)據(jù)通信包括信息的傳遞和協(xié)調，通過SOPC技術中自有的Mutex核以及Mailbox核協(xié)調兩個處理器之間的正常工作，確保系統(tǒng)通信的正常運行。系統(tǒng)中的CPU處理器都設有LED等，以此作為調試的參照，當軟核CPU運行時，可以共享存儲器中的堆棧數(shù)據(jù)并接受外部命令，通過FPGA中的Mailbox核遠程連接作用，向CPU2中傳遞信息，當CPU1中發(fā)出的信息傳遞到CPU2之后，調試相關時序，確保雙核正常工作。當兩個處理器處于同一個共享的存儲器中進行通信時，可能產(chǎn)生ID沖突，造成采集數(shù)據(jù)的損壞。因此，該系統(tǒng)中應引進Mutex內核，當其中一個CPU結束對ID地址的訪問之后，自動將Mutex釋放，避免雙處理器進行共享訪問時，占用了同一個ID地址資源。

3 基于SOPC技術的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 硬件的實現(xiàn)

通過集成于QuanusII中的SOPC Builder生成處理器，還包括一些外設功能，如Flash、SDRAM等，此時涉及的問題就是如何配置組件的參數(shù)。例如，需要使用什么樣的串口波特率、NIOS微處理器等。用戶可以根據(jù)實際情況進行設計。如果需要32位處理器的系統(tǒng)實現(xiàn)，再加上大容量寄存器文件，那么在對NIOS處理器進行配置時，就可以選擇32位NIOS處理器以及512個存儲器。這樣，通過靈活選擇組件的參數(shù)，提高了SOPC設計的靈活性。最后，通過Verilog HDL編寫用戶邏輯，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。考慮到用戶邏輯應該和NIOS處理器實現(xiàn)通信，就應增設address和chipselect兩大信號。其中，address為地址信號，chipselect為片選信號，在數(shù)值是“1”時，NIOS的處理器選為用戶邏輯；只有通過address信號，才能將用戶邏輯與總線中的NIOS處理器實現(xiàn)通信。最后，將整個項目編譯完畢，并將后綴“sof”的文件下載到開發(fā)板的編程芯片中。

3.2 軟件的實現(xiàn)

軟件的實現(xiàn)是一個應用程序，在該部分中，主要考慮與NIOS總線相連接的用戶邏輯問題。用戶可以通過自定義的address和chipselect信號，通過SOPC Builder 自動分配到用戶的邏輯地址。這樣，對于訪問用戶邏輯，就可以實現(xiàn)訪問用戶邏輯的分配地址。

目前，SOPC已成為未來電子設計的發(fā)展方向，已經(jīng)不再停留在單元電路層面，更重要的是集成信號采集、信號輸出、信號處理等功能，最終成為一個具有應用價值的電子系統(tǒng)芯片。

[1]柳秀山.基于SOPC的環(huán)境信息遠程采集系統(tǒng)的研究[J].通信技術，2009(7).

[2]王建校，危建國.SOPC設計基礎與實踐[J].西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[3]陳松柏，周進.基于DSP＋FPGA的多目標實時檢測系統(tǒng)設計[J].信息與電子工程，2007(1).

TP332

A

1674-6708（2012）58-0162-01

湖南省教育廳資助項目（09C886）

李海波，學生，所在院校：邵陽學院，專業(yè)：電子科學與技術

許建明，教師，碩士研究生，工作單位：邵陽學院信息工程系