FPGA的可重構測控系統應用設計

1 可重構測控系統的提出
測控系統一般是指基于計算機實(shí)現數據采集和控制的系統。測控系統在工業(yè)現場(chǎng)控制、家庭數字化管理、通信和網(wǎng)絡(luò )等方面應用廣泛，并不斷向低成本、高速、高性能、智能化、開(kāi)放化方向邁進(jìn)。但現代測控系統在設計和應用中仍然面臨不少的難題：
①設計速度難以適應產(chǎn)品更新?lián)Q代的快速變化。一般測控系統的設計都是針對某個(gè)特定的任務(wù)，從設計到投入使用的周期至少1～2年，甚至長(cháng)達4～5年。因此，在設計階段堪稱(chēng)先進(jìn)的方案往往在投入使用伊始就已落后了。
②設計方案功能固定，通用性差，難以滿(mǎn)足不同層次、不斷變化的用戶(hù)需求。測控系統設計針對具體用戶(hù)，配置各異，通用性較差。如何滿(mǎn)足不同用戶(hù)、不同層次的需要，尤其是多任務(wù)用戶(hù)需要是一大難題。
③虛擬儀器技術(shù)的應用使得軟件重構成為可能，但是達到還難以達到硬件重構和“即插即用”的效果。
因此，研究一種軟硬件可重構、開(kāi)放化、普適性的測控系統，對于實(shí)現測控系統的快速、開(kāi)放式設計，降低用戶(hù)使用成本具有很高的應用價(jià)值。本文基于現代測控系統的通用化結構特征和可重構的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA技術(shù)的發(fā)展，提出一種可重構測控系統(Reconfigurable Mo―nitoring System，RMS)的設計構想，并給出其應用實(shí)例。
1．1 測控系統的結構模式和多任務(wù)特征
隨著(zhù)計算機軟硬件技術(shù)和測控技術(shù)的不斷深入融合，現代測控系統在結構上呈現出通用化特征，即“系統前端(信息的數據采集(A／D))+數字信號處理(DSP)+系統后端(輸出(D／A)及顯示)”的模式。這種清晰的、通用化的結構模式為用戶(hù)實(shí)現測控系統的自組織、重定義和再利用創(chuàng )造了條件。
現代測控系統一般都具備多任務(wù)性，即系統需要同時(shí)完成幾個(gè)單獨的空間相關(guān)的(并行性)任務(wù)，或順序完成幾個(gè)時(shí)間相關(guān)的(順序性)任務(wù)。傳統的多任務(wù)設計方法，是通過(guò)增加硬件的數量，或加大軟件的控制功能來(lái)實(shí)現多任務(wù)性。一方面，增加了工程設計、調試的難度和成本，使得應用系統越來(lái)越龐大、復雜；另一方面，電路和軟件的復雜帶給用戶(hù)眾多的麻煩?？芍貥嫾夹g(shù)的出現為解決多任務(wù)問(wèn)題提供了新的思路。
1．2 可重構技術(shù)與可重構器件
可重構技術(shù)是21世紀初以來(lái)信息技術(shù)的研究熱點(diǎn)，是一種可以根據系統功能變化的需要重組自身資源，實(shí)現軟硬件結構自我優(yōu)化、自我生成的計算機技術(shù)?？芍貥嫾夹g(shù)包括硬件重構和軟件重構兩個(gè)方面。根據應用任務(wù)的需要進(jìn)行軟件重構，在傳統的系統設計中已普遍存在，而硬件重構(指系統的硬件邏輯結構發(fā)生改變)則是傳統的系統設計無(wú)法實(shí)現的?？芍貥嫾夹g(shù)的廣泛應用必須以提供可編程資源的可重構硬件為物質(zhì)基礎。
隨著(zhù)微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，20世紀末出現的可編程邏輯器件(PLD)和可編程模擬器件(PAD)為測控系統的功能重構提供了硬件基礎?？芍貥嬈骷饕ㄒ韵聨追N：
(1)可重構邏輯器件FPGA
FPGA的可編程器件是基于SRAM的，可以快速地重新編程，即所謂“現場(chǎng)可編程”。這一特性使FPGA獲得廣泛應用，并成為可重構測控系統發(fā)展的持續驅動(dòng)力量。FPGA是構建可重構測控系統必不可少的關(guān)鍵器件。
(2)可重構模擬器件
可編程模擬器件(PAD)既屬于模擬集成電路，具有信號調理、模擬計算、中高頻應用等典型功能；又同PLD器件一樣，可由用戶(hù)通過(guò)現場(chǎng)編程和配置來(lái)改變其內部連接和元件參數，從而獲得所需要的電路功能。配合相應的開(kāi)發(fā)工具，其設計和使用均可以像PLD一樣方便、靈活和快捷。例如Lattice公司的可編程模擬芯片ispPAC30內含4個(gè)輸入儀表放大器、2個(gè)獨立的內部可控參考源和2個(gè)增強型DAC，提供了系統與測控對象的模擬接口，可用于連接模擬輸入，實(shí)現系統的數據采集功能；利用其可編程功能，可針對不同應用重構其功能。但相對于可編程邏輯器件，可編程模擬器件問(wèn)世較晚，品種偏少，還不能作為主流的可重構器件。
(3)可重構DSP器件
DSP器件適用于計算密集、算法復雜、并發(fā)性和實(shí)時(shí)性要求突出的場(chǎng)合，如帶有智能邏輯的消費類(lèi)產(chǎn)品、生物信息識別終端、帶有加解密算法的鍵盤(pán)、ADSL接入、實(shí)時(shí)語(yǔ)音壓解、虛擬現實(shí)顯示等。這類(lèi)智能化算法一般運算量較大，特別是向量運算、指針、線(xiàn)性尋址等較多，這些正是DSP處理器的長(cháng)處所在。但常規的DSP無(wú)硬件重構功能，而支持DSP器件硬件重構的技術(shù)尚在研發(fā)中，難以投入大規模的應用。當然，可以通過(guò)傳統的軟件重構設計實(shí)現DSP功能重定義，但這不是我們在此討論的內容。一種實(shí)現可重構DSP器件的實(shí)用方法是利用FPGA器件實(shí)現可重構的DSP功能(如參考文獻)，其實(shí)質(zhì)是以可重構的FPGA器件為基礎實(shí)現DSP功能的重構。
綜上所述，FPGA器件的現場(chǎng)可編程特征成為可重構技術(shù)應用的關(guān)鍵，為可重構測控系統的設計提供了可行性。RMS就是以可重構器件構建系統硬件平臺，并在軟件平臺控制下產(chǎn)生不同的重載數據流來(lái)改變FPGA形成的硬件結構，以滿(mǎn)足不同任務(wù)要求。其實(shí)質(zhì)是一種軟硬件協(xié)同設計技術(shù)。