基于FPGA的仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制器IP核設(shè)計(jì)

摘 要： 介紹了在大型工業(yè)模擬仿真系統(tǒng)中，利用FPGA和軟IP核實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及收發(fā)控制的方案，并對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。重點(diǎn)闡述了在發(fā)送指令和采集接收兩種數(shù)據(jù)流模式下，該IP核的控制處理邏輯及工作狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)仿真測(cè)試對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該IP核能實(shí)現(xiàn)對(duì)前端模擬仿真設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)采集并控制的功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。
關(guān)鍵詞： FPGA；IP核；模擬仿真；數(shù)據(jù)采集控制

現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)[1]廣泛應(yīng)用在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析以及教育訓(xùn)練中。在模擬過(guò)程中，存在大量向前端模擬裝置或仿真模塊發(fā)送指令數(shù)據(jù)，以及從模擬工作設(shè)備上讀取狀態(tài)參量的情況。在對(duì)大型工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真時(shí)，數(shù)據(jù)采集控制的復(fù)雜程度愈加惡劣[2]。通過(guò)改進(jìn)數(shù)據(jù)采集控制器的結(jié)構(gòu)，提高數(shù)據(jù)采集控制器的自動(dòng)化和集成化程度，可以有效地提高大型模擬仿真設(shè)備數(shù)據(jù)采集和控制的效率。
FPGA及SoPC技術(shù)的發(fā)展為此提供了新的解決方案。IP核(IP Core)是具有特定電路功能的硬件描述語(yǔ)言程序，可較方便地進(jìn)行修改和定制，以提高設(shè)計(jì)效率[3]。本文研究了基于FPGA的數(shù)據(jù)采集控制器IP 核的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法，該IP核既可以應(yīng)用在獨(dú)立IC芯片上，還可作為合成系統(tǒng)的子模塊直接調(diào)用，實(shí)現(xiàn)IP核的復(fù)用。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)采集控制器主要分為發(fā)送機(jī)制和接收機(jī)制兩部分。在傳統(tǒng)的模擬仿真系統(tǒng)[4]中，發(fā)送機(jī)制負(fù)責(zé)將模擬仿真系統(tǒng)主機(jī)控制程序模擬運(yùn)算的數(shù)據(jù)傳給事先定義的變量，通過(guò)專用接口卡將其放在絕對(duì)內(nèi)存地址單元中，再借助智能雙端口的工控機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)至前端，以驅(qū)動(dòng)前端設(shè)備(如儀表、顯示燈等)進(jìn)行顯示，或使前端設(shè)備(如開(kāi)關(guān)、閥門、步進(jìn)電機(jī)等)進(jìn)行動(dòng)作；接收機(jī)制與之相反，即實(shí)時(shí)地將從前端工控機(jī)采集的模擬設(shè)備的動(dòng)作量和狀態(tài)量(包括模擬實(shí)際情況的溫度量、壓力量等)讀到計(jì)算機(jī)內(nèi)存地址單元中，并通過(guò)專寫程序把這些變量值轉(zhuǎn)換成主控程序所需要的數(shù)據(jù)。
　前端設(shè)備種類繁多，因此實(shí)際中需有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對(duì)前端設(shè)備的控制。此外，工控機(jī)與主機(jī)之間還必須通過(guò)專用接口進(jìn)行通信，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于設(shè)計(jì)和調(diào)試，同時(shí)降低了模擬仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和效率。

本文設(shè)計(jì)的IP 核將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中工控機(jī)和接口卡兩級(jí)的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)集成的控制器，由其完全承擔(dān)主機(jī)與前端設(shè)備的數(shù)據(jù)交換與通信任務(wù)。這樣，主機(jī)僅負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控以及對(duì)模擬仿真模型的規(guī)格運(yùn)算，而不再分出資源來(lái)管理前端模擬設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于前述數(shù)據(jù)采集控制過(guò)程，本IP核分發(fā)送數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)兩種處理機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)。相應(yīng)地，將本IP核內(nèi)部劃分為IP核控制邏輯模塊、數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、寄存器模塊、總線模塊以及時(shí)鐘模塊六部分。其相互關(guān)系如圖3所示。

主要模塊功能及其特征描述如下：
(1)IP核控制邏輯模塊：負(fù)責(zé)整個(gè)IP核的控制與運(yùn)行，當(dāng)接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的工作命令后，該模塊根據(jù)命令的種類（發(fā)送數(shù)據(jù)或采集數(shù)據(jù)）向相應(yīng)的模塊發(fā)送控制命令；出現(xiàn)異常時(shí)，本模塊根據(jù)事先定義好的規(guī)則對(duì)異常情況進(jìn)行處理；
(2)數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換模塊：該模塊在接收到IP核控制邏輯模塊發(fā)來(lái)的工作命令后，啟動(dòng)數(shù)字信號(hào)——模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換；
(3)網(wǎng)絡(luò)通信模塊：采用專用的快速以太網(wǎng)控制器，利用其內(nèi)部集成的控制器及協(xié)議棧，可以方便地與前端模擬設(shè)備連接通信；同時(shí)利用其支持10/100 M全雙工傳輸模式的性能，實(shí)現(xiàn)快速收發(fā)數(shù)據(jù)的目的；
(4)寄存器模塊：包括寄存器訪問(wèn)和寄存器單元兩部分。寄存器訪問(wèn)部分的作用在于，當(dāng)寄存器訪問(wèn)程序被IP核控制邏輯選中調(diào)用時(shí)，IP核控制邏輯可通過(guò)其對(duì)寄存器單元進(jìn)行讀或?qū)懖僮髟L問(wèn)；寄存器單元部分作為發(fā)送或采集機(jī)制流水線工作時(shí)，數(shù)據(jù)流動(dòng)的中間暫存介質(zhì)?；诒鞠到y(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，選擇SDRAM作為寄存器單元的硬件支撐，因其讀寫時(shí)序較復(fù)雜，需在本系統(tǒng)中集成專用的SDRAM控制器IP 核與其對(duì)接[5]；
(5)總線模塊：負(fù)責(zé)各模塊之間信息的傳輸，如提供Avalon接口供寄存器訪問(wèn)時(shí)使用，它使用Avalon必需的信號(hào)來(lái)訪問(wèn)寄存器，并支持任務(wù)邏輯傳輸類型[6]；
(6)時(shí)鐘模塊：產(chǎn)生相應(yīng)頻率的時(shí)鐘供給IP核，時(shí)鐘的頻率由系統(tǒng)時(shí)鐘頻率分頻所得。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
本IP 核功能邏輯的設(shè)計(jì)基于其任務(wù)邏輯定制的基本功能和技術(shù)指標(biāo)。本設(shè)計(jì)的任務(wù)邏輯主要完成對(duì)模擬仿真系統(tǒng)前端模擬設(shè)備發(fā)送指令以及采集前端模擬設(shè)備狀態(tài)量數(shù)據(jù)。其功能邏輯也基于發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)兩個(gè)數(shù)據(jù)流來(lái)設(shè)計(jì)，如圖4所示。

為避免高速、高頻系統(tǒng)時(shí)序中常存在的競(jìng)爭(zhēng)、毛刺危險(xiǎn)以及建立與保持時(shí)間相抵觸等問(wèn)題，本IP核采用同步設(shè)計(jì)的方案。同時(shí)，為解決實(shí)際中仍會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生毛刺和時(shí)鐘偏斜等問(wèn)題。本IP核中擬將時(shí)鐘控制改為觸發(fā)器輸入允許，將時(shí)鐘選擇改為獨(dú)立的時(shí)鐘分析[7]。
為加快本設(shè)計(jì)的運(yùn)行速度及處理效率，本IP核的設(shè)計(jì)以功能邏輯處理機(jī)制為基礎(chǔ)，分別對(duì)發(fā)送流程和接收流程設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)并實(shí)現(xiàn)[8]。
在發(fā)送流程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，共有6個(gè)狀態(tài)，如圖5所示。IP核的控制邏輯判斷來(lái)自主機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，首先檢查其各功能模塊的準(zhǔn)備情況，如果準(zhǔn)備好，即開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，從寄存器單元中取出待發(fā)送數(shù)據(jù)并送至網(wǎng)絡(luò)通信模塊，由其發(fā)送至前端模擬設(shè)備。在此過(guò)程中，不斷檢測(cè)發(fā)送完成標(biāo)志位DataEND，如果該標(biāo)志位變?yōu)橛行t表示發(fā)送成功，將此信息反饋給主機(jī)并進(jìn)入下一工作周期等待狀態(tài)；如果超時(shí)該標(biāo)志位仍未變化，則反饋回主機(jī)發(fā)送失敗的信息，并請(qǐng)求重發(fā)。

相應(yīng)地，如圖6所示，接收流程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程有7個(gè)狀態(tài)。其工作大致與發(fā)送流程相同，只是接收數(shù)據(jù)從寄存器單元讀出后，要先經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)模式的轉(zhuǎn)換后，再發(fā)送給主機(jī)使用。

4 仿真與驗(yàn)證
本文選用Altera公司的Cyclone系列的EP1C12240C8器件，并在Quartus7.2環(huán)境下采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)前述IP 核的方案設(shè)計(jì)。IP核設(shè)計(jì)完成后，利用SoPC Builder對(duì)其進(jìn)行功能仿真和時(shí)序分析。在仿真測(cè)試中，以按鍵模擬實(shí)際開(kāi)關(guān)動(dòng)作；以數(shù)碼顯示器數(shù)值變化模擬實(shí)際儀器儀表或傳感器動(dòng)作，分別對(duì)該IP核的發(fā)送和接收功能進(jìn)行仿真測(cè)試。
本IP核發(fā)送功能仿真測(cè)試所得波形如圖7所示。系統(tǒng)的時(shí)鐘允許信號(hào)ClockEna有效后，系統(tǒng)寄存器有效信號(hào)MemoEna及寄存器讀信號(hào)MemoRd相繼變?yōu)橛行В到y(tǒng)在IP 核處理邏輯給出發(fā)送信號(hào)SdEna之后開(kāi)始發(fā)送寄存器中讀出的數(shù)據(jù)。在此過(guò)程中，不斷檢測(cè)發(fā)送完成信號(hào)DataEND及超時(shí)控制信號(hào)Timechip，如DataEND有效則停止發(fā)送，如前述兩信號(hào)同時(shí)有效或直到Timechip信號(hào)變?yōu)橛行?，則停止本次發(fā)送，向IP 核處理邏輯反饋重發(fā)信號(hào)Retry。同理，IP 核接收功能仿真測(cè)試所得波形如圖8所示。通過(guò)分析波形可以得出，IP 核處理過(guò)程與前述功能邏輯設(shè)計(jì)一致。

本文提出了一種數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)軟IP核的設(shè)計(jì)方案，對(duì)其采用VHDL語(yǔ)言描述實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了功能仿真測(cè)試。經(jīng)測(cè)試證明，該方案能滿足設(shè)計(jì)要求，且成本較低，處理邏輯簡(jiǎn)單，可方便地移植到多種大型的工業(yè)模擬仿真系統(tǒng)中，應(yīng)用前景廣泛。
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