基于SOPC的數據采集系統設計

摘要：提出了一種基于SOPC技術(shù)的數據采集和存儲系統的解決方案。該系統通過(guò)在一片Xilinx公司Spartan 3E系列的FPGA芯片上配置micro-blaze軟核處理器、用戶(hù)自定義的數據采集與存儲接口邏輯、USB傳榆模塊和總線(xiàn)接口模塊來(lái)實(shí)現其硬件電路。該數據采集系統可同時(shí)對多種信號進(jìn)行測量，有較大的存儲容量。由于采用了SOPC技術(shù)，該系統具有設計靈活、集成度高，以及較小的體積和較低的功耗等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：Microblaze；數據采集與存儲；SOPC；FPGA；IP核

隨著(zhù)集成電路的不斷發(fā)展，可編程邏輯器件FPGA因其功能強大，設計靈活，開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應用。于是片上可編程系統(System On Programmable Chip，SOPC)的設計方法也越來(lái)越受到重視。SOPC將微處理器、存儲器、定時(shí)器、通用I／O接口等系統設計必需的功能模塊以及用戶(hù)設計的有特定功能的模塊集成到一片可編程邏輯器件上，構建一個(gè)具備軟，硬件在系統可編程功能的可編程片上系統。這種非常靈活的電路設計方式使得對整個(gè)電路系統的裁減、擴充、升級變的很容易。這樣可以縮短電路設計的開(kāi)發(fā)周期，節省開(kāi)發(fā)成本。MicroBlaze作為Xilinx公司開(kāi)發(fā)的32位哈佛結構RISC型軟核處理器，適用于其所有現產(chǎn)的FPGA器件。采用這種“微處理器+可編程邏輯”的SOPC系統架構，用戶(hù)可方便的在系統中加入各種IP核，實(shí)現具有特定功能的，易配置、易擴展、易繼承的片上系統。
文中提出一種基于SOPC技術(shù)的多路數據采集與存儲系統的設計方法，利用硬件描述語(yǔ)言設計用戶(hù)IP核，實(shí)現硬件控制數據采集和存儲的功能。加上Xilinx公司一些必要的標準IP核可以生成嵌入式系統。這種可以方便地把用戶(hù)自定義的邏輯加入到系統中的設計，體現了用SOPC設計嵌入式系統的靈活性。

1 系統總體結構
整個(gè)系統由xilinx公司的spartan3E高性能、低成本的90nm FPGA和一些外圍電路組成。主要有AD轉換器、FLASH存儲器、系統PROM配置電路和電源模塊等，其系統總體結構如圖1所示。

系統核心采用嵌入式技術(shù)，在一片芯片上實(shí)現，它包含Xilinx公司的一些標準總線(xiàn)IP核如中斷控制器，通用輸入輸出端口等模塊和帶有PLB總線(xiàn)接口的用戶(hù)自定義的數據采集與存儲IP核。其中用戶(hù)自定義的IP核是用VHDL語(yǔ)言設計的，它包含AD控制邏輯、FLASH控制邏輯、DMA傳輸控制邏輯和FIFO緩存模塊等。
整個(gè)系統設計可以分為硬件設計和軟件設計兩個(gè)部分。利用SOPC技術(shù)結合VHDL硬件描述語(yǔ)言，在芯片內部設計硬件控制系統；利用EDK(嵌入式開(kāi)發(fā)套件)為特定硬件配置自動(dòng)生成的軟件包結合C語(yǔ)言，設計基于Microblaze處理器的軟件控制程序。