FPGA的可重構測控系統應用設計
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2 基于FPGA的RMS的設計
2．1 基于FPGA的RMS的設計原則
進(jìn)行可重構測試系統的設計應遵循以下基本原則：
(1)接口標準化
在測控系統的接口設計上，盡量采用開(kāi)放式、標準化體系的接口標準，例如采用通用的讀寫(xiě)、控制總線(xiàn)結構、標準的伺服驅動(dòng)接口等。
(2)功能實(shí)現模塊化
RMS的軟件和硬件設計均采用模塊化的設計思想。依功能進(jìn)行模塊劃分，合理分配給FPGA器件和DSP器件。對于FPGA器件的功能，采用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行邏輯描述，經(jīng)功能設計、時(shí)序仿真、電路測試、模塊封裝，制作成專(zhuān)門(mén)的測控IP，供設計平臺調用。
(3)系統集成化、開(kāi)放化
將自己開(kāi)發(fā)的測控IP和從其他IP供應商處購買(mǎi)到的標準IP，利用專(zhuān)門(mén)的綜合軟件集成為測控系統。還可以通過(guò)裁剪和重整不同的IP來(lái)改變設計，達到既能實(shí)現功能定制、滿(mǎn)足目前測控要求，又具有開(kāi)放性、能適應未來(lái)功能擴展的目標。
(4)根據系統規模靈活選用主控制器
作為RMS的核心，可重構主控制器是體現RMS規模和功能不同的關(guān)鍵器件?？梢愿鶕y控對象的需要靈活選擇其實(shí)現器件及功能模塊，以實(shí)現功能和造價(jià)的合理平衡?？梢赃x用低成本的FPGA方案，以有限狀態(tài)機(FSM)模式完成功能設計，以JTAG被動(dòng)串行方式下載實(shí)現靜態(tài)重構，用于簡(jiǎn)單、低速的數據采集；也可以選用高性能的SOPC方案，實(shí)現可動(dòng)態(tài)重構，以滿(mǎn)足高速、復雜數據處理的需要。
(5)嵌入式特征
RMS具有功能可裁剪、結構重定義和軟硬件協(xié)同設計特征，是典型的嵌入式系統。
2．2 基于FPGA的RMS的結構與設計
RMS可以視為一個(gè)通用的測控設計平臺，其硬件基本結構如圖1所示。 本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/191608.htm
該測控系統由主控計算機和相對獨立的基于FPGA器件的測控系統兩大部分，通過(guò)通信接口連接而成。主控計算機主要實(shí)現人機對話(huà)功能，包括測試數據的處理、顯示及儀器軟面板的控制，可以利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現?；贔PGA器件的測控系統包括數據采集與輸出控制單元、FPGA單元和DSP單元，3個(gè)單元均有可重構功能，并接受主控制器單元的控制?；竟δ軌K是指作為計算機系統通用的不可或缺的電源、系統監控模塊及存儲器模塊。
2．2．1 可重構數據采集與輸出控制單元
該單元作為RMS的前向、后向通道與被測控對象直接相連。其中的信號調理電路可以設計成通用形式，并根據測控對象的數量、量程、模擬／數字類(lèi)型、濾波參數等進(jìn)行重定義和調整。例如可以采用可重構PAD器件直接與模擬測試對象相連，并由主控計算機完成設計、仿真、測試，通過(guò)主控制器單元實(shí)現重構。
2．2．2 可重構FPGA單元和可重構DSP單元
FPGA單元和DSP單元的功能可以預先根據實(shí)際測試對象的需要進(jìn)行合理劃分，并在主控計算機上以IP核的方式完成設計、仿真、測試和整合的全過(guò)程，最后的配置數據流文件預先存放于相應的配置存儲器中(一般為SRAM或Flash存儲器)。這種靜態(tài)重構方式適用于對配置實(shí)時(shí)性要求不太高的一般場(chǎng)合，選用基于SRAM的FPGA器件和通用DSP即可。如果對配置切換的實(shí)時(shí)性要求較高，則可以選用特定的適于動(dòng)態(tài)配置的FPGA器件，但成本要高昂得多。
2．2．3 可重構主控制器
主控制器單元是實(shí)現可重構功能的關(guān)鍵部分，它既是測控系統與主控計算機數據傳遞的通道，又是數據采集與輸出控制單元、FPGA單元和DSP單元的控制中樞。在系統重構模式下，它接收主控計算機的重構指令和數據，對FPGA和DSP的配置存儲器進(jìn)行在線(xiàn)編程；在正常測控模式下，主控制器從FPGA和DSP獲得采集和處理的數據，并送主控計算機處理。
主控制器的設計可以根據系統規模合理選擇，可以采用通用MCU(如51系列單片機)、嵌入式SoC(如ARM)；也可利用FPGA器件實(shí)現，例如選用A1tera公司的Nios軟處理器核基于SOPC方法進(jìn)行設計。
2．2．4 通信結構
RMS通信結構的選擇對系統的工作速度、實(shí)時(shí)性以及成本來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。
從通用性角度考慮，RMS的通信結構可以根據系統規模的需要選擇不同的形式。大型測控系統可以選用專(zhuān)用測控總線(xiàn)(如GPIB、CPI、CPCI等)，以標準化、模塊化插卡形式與主控計算機相連；小型系統則可以根據需要選用通用總線(xiàn)(如RS232、UART、USB、CAN總線(xiàn))，有選擇地添加可編程I／O口、ZigBee無(wú)線(xiàn)通信接口、TCP／IP協(xié)議、以太網(wǎng)接口等通信、網(wǎng)絡(luò )擴展接口，以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通信和網(wǎng)絡(luò )測控功能擴展的需要。不論規模大小，接口類(lèi)型各異，都可用IP模塊的形式進(jìn)行設計并配置到FPGA器件上，以滿(mǎn)足不同應用需要。
值得注意的是，測控系統的通信結構設計不僅要包括系統總線(xiàn)的設計，還包括FPGA片內通信結構的設計。典型的可重構FPGA片內通信結構通常有片上總線(xiàn)和片上網(wǎng)絡(luò )兩種策略。片上網(wǎng)絡(luò )結構雖能較好地體現結構參數要求，但面積花費巨大；而片上總線(xiàn)結構憑借靈活性高、可延展、設計開(kāi)銷(xiāo)小、帶寬要求較低、時(shí)延較短等優(yōu)點(diǎn)，成為RMS的首選?？紤]到FPGA的配置需要，在通信模塊、主控制器模塊和FPGA器件內都應設計相應的JTAG接口，以滿(mǎn)足數據流配置和在線(xiàn)測試的需要。
2．2．5 軟件重構
軟件重構是作為軟硬件協(xié)同設計實(shí)現的測控系統重構的必要內容。傳統的測控軟件常常是針對具體的測控、對象和硬件資源設計的，從而限制了不同型號、不同廠(chǎng)家、不同硬件接口的測控器件的使用。為實(shí)現測控系統的軟件重構，應打破傳統測控軟件的設計思路，采用“基于程序框架和可復用構件”的軟件復用思路”。如圖2所示，將測控軟件劃分為測控軟件平臺和測控驅動(dòng)程序兩部分，其間通過(guò)軟件平臺提供的軟件接口來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)鏈接。測控軟件平臺主要實(shí)現主控計算機功能的控制，以及主控計算機與測控系統的驅動(dòng)程序之間的數據通信。
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