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FPGA的可重构测控系统应用设计

本文摘要:1可重构测控系统的明确提出 测控系统一般是指基于计算机构建数据采集和掌控的系统。测控系统在工业现场掌控、家庭数字化管理、通信和网络等方面应用于普遍,并大大向低成本、高速、高性能、智能化、对外开放化方向迈向。但现代测控系统在设计和应用于中依然面对不少的难题: ①设计速度无法适应环境产品更新换代的较慢变化。一般测控系统的设计都是针对某个特定的任务,从设计到投入使用的周期最少1~2年,甚至长达4~5年。 因此,在设计阶段可谓先进设备的方案往往在投入使用伊始就已领先了。

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1可重构测控系统的明确提出  测控系统一般是指基于计算机构建数据采集和掌控的系统。测控系统在工业现场掌控、家庭数字化管理、通信和网络等方面应用于普遍,并大大向低成本、高速、高性能、智能化、对外开放化方向迈向。但现代测控系统在设计和应用于中依然面对不少的难题:  ①设计速度无法适应环境产品更新换代的较慢变化。一般测控系统的设计都是针对某个特定的任务,从设计到投入使用的周期最少1~2年,甚至长达4~5年。

因此,在设计阶段可谓先进设备的方案往往在投入使用伊始就已领先了。  ②设计方案功能相同,通用性劣,无法符合有所不同层次、大大变化的用户市场需求。测控系统设计针对明确用户,配备各异,通用性较好。

如何符合有所不同用户、有所不同层次的必须,特别是在是多任务用户必须是众多难题。  ③虚拟仪器技术的应用于使得软件重构沦为有可能,但是超过还难以达到硬件重构和即插即用的效果。  因此,研究一种软硬件可重构、对外开放化、普适性的测控系统,对于构建测控系统的较慢、开放式设计,减少用户用于成本具备很高的应用于价值。

本文基于现代测控系统的通用化结构特征和可重构的现场可编程门阵列FPGA技术的发展,明确提出一种可重构测控系统(ReconfigurableMonitoringSystem,RMS)的设计设想,并得出其应用于实例。  1.1测控系统的结构模式和多任务特征  随着计算机软硬件技术和测控技术的不断深入融合,现代测控系统在结构上呈现通用化特征,即系统前端(信息的数据采集(A/D))+数字信号处理(DSP)+系统后末端(输入(D/A)及表明)的模式。

这种明晰的、通用化的结构模式为用户构建测控系统的自的组织、轻定义和再行利用建构了条件。  现代测控系统一般都不具备多任务性,即系统必须同时已完成几个分开的空间涉及的(并行性)任务,或顺序已完成几个时间涉及的(顺序性)任务。传统的多任务设计方法,是通过减少硬件的数量,或增大软件的掌控功能来构建多任务性。

一方面,减少了工程设计、调试的可玩性和成本,使得应用于系统更加可观、简单;另一方面,电路和软件的简单带来用户众多的困难。可重构技术的经常出现为解决问题多任务问题获取了新的思路。  1.2可重构技术与可重构器件  可重构技术是21世纪初以来信息技术的研究热点,是一种可以根据系统功能变化的必须重组自身资源,构建软硬件结构自我优化、自我分解的计算机技术。

可重构技术还包括硬件重构和软件重构两个方面。根据应用于任务的必须展开软件重构,在传统的系统设计中已普遍存在,而硬件重构(指系统的硬件逻辑结构再次发生转变)则是传统的系统设计无法构建的。可重构技术的广泛应用必需以获取可编程资源的可重构硬件为物质基础。

  随着微电子技术的大大发展,20世纪末经常出现的可编程逻辑器件(PLD)和可编程仿真器件(PAD)为测控系统的功能重构获取了硬件基础。可重构器件主要还包括以下几种:  (1)可重构逻辑器件FPGA  FPGA的可编程器件是基于SRAM的,可以较慢地新的编程,即所谓现场可编程。

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这一特性使FPGA取得广泛应用,并沦为可重构测控系统发展的持续驱动力量。FPGA是建构可重构测控系统必不可少的关键器件。  (2)可重构仿真器件  可编程仿真器件(PAD)既归属于仿真集成电路,具备信号调理、模拟计算、中高频应用于等典型功能;又同PLD器件一样,可由用户通过现场编程和配备来转变其内部相连和元件参数,从而取得所必须的电路功能。

因应适当的开发工具,其设计和用于皆可以像PLD一样便利、灵活性和快捷。例如Lattice公司的可编程仿真芯片ispPAC30含有4个输出仪表放大器、2个独立国家的内部高效率参照源和2个增强型DAC,获取了系统与测控对象的仿真模块,可用作相连仿真输出,构建系统的数据采集功能;利用其可编程功能,可针对有所不同应用于重构其功能。但相对于可编程逻辑器件,可编程仿真器件问世较早,品种偏低,还无法作为主流的可重构器件。  (3)可重构DSP器件  DSP器件限于于计算出来密集、算法简单、并发性和实时性拒绝引人注目的场合,如具有智能逻辑的消费类产品、生物信息辨识终端、具有加解密算法的键盘、ADSL终端、动态语音压解、虚拟现实表明等。

这类智能化算法一般运算量较小,尤其是向量运算、指针、线性传输速率等较多,这些正是DSP处理器的聪明才智所在。但常规的DSP无硬件重构功能,而反对DSP器件硬件重构的技术尚能在研发中,无法投放大规模的应用于。当然,可以通过传统的软件重构设计构建DSP功能轻定义,但这不是我们在此辩论的内容。一种构建可重构DSP器件的简单方法是利用FPGA器件构建可重构的DSP功能(如参考文献),其实质是以可重构的FPGA器件为基础构建DSP功能的重构。

  综上所述,FPGA器件的现场可编程特征沦为可重构技术应用于的关键,为可重构测控系统的设计获取了可行性。RMS就是以可重构器件建构系统硬件平台,并在软件平台掌控下产生有所不同的牵引数据流来转变FPGA构成的硬件结构,以符合有所不同任务拒绝。其实质是一种软硬件协同设计技术。  2基于FPGA的RMS的设计  2.1基于FPGA的RMS的设计原则  展开可重构测试系统的设计不应遵循以下基本原则:  (1)模块标准化  在测控系统的模块设计上,尽可能使用开放式、标准化体系的接口标准,例如使用标准化的读取、掌控总线结构、标准的控制器驱动模块等。

  (2)功能构建模块化  RMS的软件和硬件设计皆使用模块化的设计思想。依功能展开模块区分,合理分配给FPGA器件和DSP器件。对于FPGA器件的功能,使用硬件描述语言展开逻辑叙述,经功能设计、时序建模、电路测试、模块PCB,制作成专门的测控IP,可供设计平台调用。

  (3)系统集成化、对外开放化  将自己研发的测控IP和从其他IP供应商处出售到的标准IP,利用专门的综合软件集沦为测控系统。还可以通过剪裁和重整有所不同的IP来转变设计,超过既能构建功能自定义、符合目前测控拒绝,又具备开放性、能适应环境未来功能拓展的目标。

  (4)根据系统规模灵活性搭配主控制器。  作为RMS的核心,可重构主控制器是反映RMS规模和功能有所不同的关键器件。

可以根据测控对象的必须灵活性自由选择其构建器件及功能模块,以构建功能和耗资的合理均衡。可以搭配低成本的FPGA方案,以受限状态机(FSM)模式已完成功能设计,以JTAG被动串行方式iTunes构建静态重构,用作非常简单、短距离的数据采集;也可以搭配高性能的SOPC方案,构建可动态重构,以符合高速、简单数据处理的必须。

  (5)嵌入式特征  RMS具备功能可剪裁、结构轻定义和软硬件协同设计特征,是典型的嵌入式系统。  2.2基于FPGA的RMS的结构与设计  RMS可以视作一个标准化的测控设计平台,其硬件基本结构如图1右图。    该测控系统由主控计算机和比较独立国家的基于FPGA器件的测控系统两大部分,通过通信接口相连而出。主控计算机主要构建人机对话功能,还包括测试数据的处置、表明及仪器硬面板的掌控,可以利用虚拟仪器技术构建。

基于FPGA器件的测控系统还包括数据采集与输入掌控单元、FPGA单元和DSP单元,3个单元皆有可重构功能,并拒绝接受主控制器单元的掌控。基本功能块是指作为计算机系统标准化的不可或缺的电源、系统监控模块及存储器模块。


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