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文檔簡介
基于FPGA的仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制器IP核設(shè)計鄭津,陳利學(xué)(西南石油大學(xué)計算。機科學(xué)學(xué)院,四川成都610500)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核實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及收發(fā)控制的方案,并對其進行設(shè)計實現(xiàn)。重點闡述了在發(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)機的設(shè)計及實現(xiàn)。同時,設(shè)計仿真測試對其進行驗證。經(jīng)測試驗證。該IP核能實現(xiàn)對前端模擬仿真設(shè)備狀態(tài)實時采集并控制的功能,達到了設(shè)計目的。關(guān)鍵詞:FPGA;IP核;模擬仿真;數(shù)據(jù)采集控制中圖分類號:TP391.9文獻標識碼:A文章編號:1674—7720(2010)14—0092—04TheIPcoredesignofdataacquisitionandcontrolsubsystemforsimulationsystembasedonFPGAZHENGJin,CHENLiXue(ComputerScienceDepartment,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)Abstract:ThisarticlemainlyintroducedthedesignandimplementationofanIPcorebaseduponFPGAtorealizeadataac.quisitionandcontrolsubsystemcouldbeusedinlargeindustfiflsimulationsystem.Thedescriptionfocusedonrepresentingtheba—sicfunctionallogicundersendingandreceivingdataflowmodules,inthemeantime,utilizingworkingstatemachinetoimplementtheprogram.AlsotestedtheIPCOreandanalyzedtherealcapturedsignalsequence.TheresultverifiedtheIPCOrecouldfuhfillthedesigningrequirements.Keywords:FPGA;IPcore;simulation;dataacquisitionandcontrol現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)【lI廣泛應(yīng)用在系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)分析以及教育訓(xùn)練中。在模擬過程中,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。在對大型工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)進行模擬仿真時,數(shù)據(jù)采集控制的復(fù)雜程度愈加惡劣【2J。通過改進數(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SOPE技術(shù)的發(fā)展為此提供了新的解決方案。IP核(IPCore)是具有特定電路功能的硬件描述語言程序,可較方便地進行修改和定制。以提高設(shè)計效率【31。本文研究了基于FPGA的數(shù)據(jù)采集控制器IP核的設(shè)計方案和實現(xiàn)方法,該IP核既可以應(yīng)用在獨立IC芯片上,還可作為合成系統(tǒng)的子模塊直接調(diào)用,實現(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)送機制和接收機制兩部分。在傳統(tǒng)的模擬仿真系統(tǒng)【41中,發(fā)送機制負責(zé)將模擬仿真系統(tǒng)主機控制程序模擬運算的數(shù)據(jù)傳給事先定義的變量,通過專用接口卡將其放在絕對內(nèi)存地址單元中,再借助智能雙端El的工控機將數(shù)據(jù)發(fā)至前端,以驅(qū)動前端設(shè)備(如儀表、顯示燈等)進行顯示,或使前端設(shè)備(如開關(guān)、閥門、步進電機等)進行動作;接收機制與之相反,即實時地將從前端工控機采集的模擬設(shè)備的動作量和狀態(tài)量(包括模擬實際情況的溫度量、壓力量等)讀到計算機內(nèi)存地址單元中,并通過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,因此實際中需有針對性地進行設(shè)計,以實現(xiàn)工控機對前端設(shè)備的控制。此外,工控機與主機之間還必須通過專用接口進行通信,如圖l所示。?基金項目:四川I省教育廳重點項目(2006A147),四川I省科技廳應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)重點項目(2008JYOll4)92《微型機與應(yīng)用》2010年第29卷第14期~曠lnq_Ⅵ一11工VL1I圖接G瀏前端].控機2l形/一卜\主彳卜、\∥機\∥口機卡(爿>f前端[控機3卜b=剖新端T粹機凡L圖1傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不利于設(shè)計和調(diào)試,同時降低了模擬仿真系統(tǒng)的實時性和效率。本文設(shè)計的IP核將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中工控機和接口卡兩級的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)結(jié)合起來,設(shè)計了一個集成的控制器,由其完全承擔(dān)主機與前端設(shè)備的數(shù)據(jù)交換與通信任務(wù)。這樣,主機僅負責(zé)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控以及對模擬仿真模型的規(guī)格運算,而不再分出資源來管理前端模擬設(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。前端模擬設(shè)備I一一一…一一一一一一一_I圖2數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2系統(tǒng)設(shè)計基于前述數(shù)據(jù)采集控制過程,本IP核分發(fā)送數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)兩種處理機制進行設(shè)計。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:負責(zé)整個IP核的控制與運行,當接收到主機發(fā)來的工作命令后,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;開關(guān)II閥門!儀表邏輯模塊發(fā)來的工作命令后,啟動數(shù)字信號——模擬信號的轉(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;同時利用其支持10/100M全雙工傳輸模式的性能,實現(xiàn)快速收發(fā)數(shù)據(jù)的目的;(4)寄存器模塊:包括寄存器訪問和寄存器單元兩部分。寄存器訪問部分的作用在于,當寄存器訪問程序被IP核控制邏輯選中調(diào)用時,IP核控制邏輯可通過其對寄存器單元進行讀或?qū)懖僮髟L問;寄存器單元部分作為發(fā)送或采集機制流水線工作時,數(shù)據(jù)流動的中間暫存介質(zhì)?;诒鞠到y(tǒng)的設(shè)計目標,選擇SDRAM作為寄存器單元的硬件支撐,因其讀寫時序較復(fù)雜,需在本系統(tǒng)中集成專用的SDRAM控制器IP核與其對接㈣;(5)總線模塊:負責(zé)各模塊之間信息的傳輸,如提供Avalon接口供寄存器訪問時使用,它使用Avalon必需的信號來訪問寄存器,并支持任務(wù)邏輯傳輸類型t61;(6)時鐘模塊:產(chǎn)生相應(yīng)頻率的時鐘供給IP核,時鐘的頻率由系統(tǒng)時鐘頻率分頻所得。3系統(tǒng)實現(xiàn)本IP核功能邏輯的設(shè)計基于其任務(wù)邏輯定制的基本功能和技術(shù)指標。本設(shè)計的任務(wù)邏輯主要完成對模擬仿真系統(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)兩個數(shù)據(jù)流來設(shè)計,如圖4所示。出現(xiàn)異常時,本模塊根據(jù)事先定義好的規(guī)則對異常情況進行處理;(2)數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換模塊:該模塊在接收到IP核控制圖3本設(shè)計內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)圖《微型機與應(yīng)用》2010年第29卷第14期圖4IP核功能邏輯設(shè)計框圖為避免高速、高頻系統(tǒng)時序中常存在的競爭、毛刺危險以及建立與保持時間相抵觸等問題,本IP核采用同步設(shè)計的方案。同時,為解決實際中仍會經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生毛刺和時鐘偏斜等問題。本IP核中擬將時鐘控制改為觸發(fā)器輸入允許,將時鐘選擇改為獨立的時鐘分析【7】。為加快本設(shè)計的運行速度及處理效率,本IP核的設(shè)計以功能邏輯處理機制為基礎(chǔ),分別對發(fā)送流程和接收流程設(shè)計狀態(tài)機并實現(xiàn)is]。在發(fā)送流程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中,共有6個狀態(tài),如圖5所示。IP核的控制邏輯判斷來自主機的發(fā)送數(shù)據(jù)命令后,首先檢查其各功能模塊的準備情況,如果準備好,歡迎網(wǎng)上投稿www.pcachina.com93孟:應(yīng)用奇葩羅ExampI.eofApp|ical.on1?開始\4仿真與驗證7返回豐機,成功=f\不成功(即重試)=口亡’、Timecl五p=lDataEND=ITimechip=l\\一弋州、/——、.\I纜輯收到發(fā)送命令OrderType=i本文選用Altera公司的Cyclone系列的EPlCl2240C8器件,并在Quartus7.2環(huán)境下采用VHDL語言實現(xiàn)前述IP核的方案設(shè)計。IP核設(shè)計完成后,利用SoPCBuilder?qū)ζ溥M行功能仿真和時序分析。在仿真測試中,以按鍵模擬實際開關(guān)動作;以數(shù)碼顯示器數(shù)值變化模擬實際儀器儀表或傳感器動作,分別對該IP核的發(fā)送和接收功能進行仿真測試。鎩囂示。:萎等等霉君囂蕊要鬻鬻誓鬻縐模擬設(shè)備/\一一——、寸、——一7I:::南五<≮存區(qū)取數(shù)嘉\/Timechip=O&&DataE愀Mernogd=0Tirmchip=0’l戈囂)Timecl'fip=0圖5發(fā)送流程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖即開始發(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。在此過程中,不斷檢測發(fā)送完成標志位DataEND,如果該標志位變?yōu)橛行t表示發(fā)送成功,將此信息反饋給主機并進入下一工作周期等待狀態(tài);如果超時該標志位仍未變化,則反饋回主機發(fā)送失敗的信息,并請求重發(fā)。相應(yīng)地,如圖6所示,接收流程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程有7個狀態(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)過數(shù)據(jù)模式的轉(zhuǎn)換后,再發(fā)送給主機使用。存器有效信號MemoEna及寄存器讀信號MemoRd相繼變?yōu)橛行?,系統(tǒng)在IP核處理邏輯給出發(fā)送信號SdEna之后開始發(fā)送寄存器中讀出的數(shù)據(jù)。在此過程中,不斷檢測發(fā)送完成信號D咖END及超時控制信號Timechip,如DataEND有效則停止發(fā)送,如前述兩信號同時有效或直到Timechip信號變?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Retry。同理,IP核接收功能仿真測試所得波形如圖8所示。通過分析波形可以得出,IP核處理過程與前述功能邏輯設(shè)計一致。TimecIIip=0圖6接收流程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖7IP核發(fā)送功能仿真波形圖8IP核接收功能仿真波形本文提出了一種數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)軟IP核的設(shè)計方案,對其采用VHDL語言描述實現(xiàn),并進行了功能仿真測試。經(jīng)測試證明。該方案能滿足設(shè)計要求,且成本較低,處理邏輯簡單,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。參考文獻【1】郭齊勝,董志明,單家元.系統(tǒng)仿真【M】.北京:國防工業(yè)出版社,2006:24—26.【2】ZHANGL,LINQ,GAYR,eta1.Anauto—llomou8decentralizedmulti—serverframeworkforl盯gescalecollaborativevirtualenvironment【J】.InternationalJournalofImageandGraphics.2007,7(2):353—375.,應(yīng)用奇葩“|ExampIeofAppIicat.0n【3】葛晨陽.基于IP核開發(fā)模式的高校集成電路設(shè)計發(fā)展【7】廖艷,陳利學(xué),賴春紅,等.基于FPGA的等精度頻率計策略研究【J】.中國集成電路,2008(8):22—26.IPCore設(shè)計[J】.電子技術(shù)應(yīng)用,2007,33(12):2l一23.【4】LUOYB,ONGSK,CHENDF,eta1.Aninternet一【8】章世華,鄒麗麗,董湘麟,等.智能卡控制器IP核的設(shè)計enabledimageandmodelbasedvirtualmachiningsystem[J].與實現(xiàn)【J】.電子技術(shù)應(yīng)用,2009,35(2):46—48.InternationalJournalofProductionResearch,2002,40(10):(收稿日期:2010—02—25)2269—2288.【5】吳婷,王敏,周程,等.基于soPC技術(shù)的核信息遠程采集系統(tǒng)【J】.電子技術(shù)應(yīng)用,2006,32(3):87-89.【6】譚華,古天龍.AvalOil片上總線協(xié)議的形式化建模與模型檢驗分析【J】.桂林電子科技大學(xué)學(xué)報,2009,29(2):96-100.作者簡介:鄭津,男,1984年生,助教,碩士研究生,主要研究方向:石油工程嵌入式系統(tǒng)、石油工程仿真模擬計算。陳利學(xué),男,1955年生,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:計算機硬件及外設(shè)、嵌入式系統(tǒng)。飛思卡爾90nmColdFire+混合信號微控制器解決方案加快設(shè)計i創(chuàng)新下一代ColdFireMCU提供針對消費電子和工業(yè)應(yīng)用的FlexMemory和超低功耗特性飛思卡爾半導(dǎo)體日前發(fā)布了40款新的ColdFire+(plus)器件,將其久經(jīng)考驗的ColdFire產(chǎn)品線提升到一個新的高度,鞏固了該公司在32位微控制器(MCU)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。通過采用90am薄膜存儲器(TFS)閃存技術(shù)以及FlexMemory技術(shù),ColdFire+MCU致力于成為市場上集成程度最高、最經(jīng)濟高效和小封裝的32位MCU。ColdFire+MCU依托飛思卡爾在32位微控制器方面的既有優(yōu)勢,代表了ColdFire演進的下一步。新的ColdFire+產(chǎn)品線為產(chǎn)品系列帶來卓越的特性,包括:?FlexMemory,可配置、可電子擦除、嵌入式可編程只讀存儲器;?高精度、高性能的混合信號能力;?可靠的低功率特性,運行電流可降低至150I.LA/MHz;?市場領(lǐng)先的支持系統(tǒng),包括飛思卡爾MQXTM、功能豐富的實時操作系統(tǒng)(RTOS)、通信棧、模塊化Tower快速原型開發(fā)系統(tǒng)、基于EclipseTM的CodeWarrior版本10.0,以及其它領(lǐng)先的第三方軟件;?為消費電子設(shè)備增加了更多專用的外設(shè)。MCF51Qx/Jx系列是第一批將先進的低功率性能與各種模擬、連接和安全外設(shè)組合在一起的ColdFire+產(chǎn)品,所有都基于低成本和小封裝。全面的打包解決方案飛思卡爾的新ColdFire+解決方案不僅僅只是硅片,ColdFire+MCU將使客戶獲得業(yè)界最全面的打包解決方案。該打包解決方案為飛思卡爾的MQX提供了USB音頻、醫(yī)療、大容量存儲,以及人機交互設(shè)備、集線器和設(shè)備級棧,幫助簡化硬件管理并統(tǒng)一軟件開發(fā)。同時還提供了綜合的集成開發(fā)環(huán)境CodeWarriorDevelop.mentStudio,其MQXRTOS內(nèi)核感知功能可用于基于Eclipse開放開發(fā)平臺的高級調(diào)試支持。該集成開發(fā)環(huán)境提供了可視化、自動化的架構(gòu),可以加快復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用的開發(fā)。此外,飛思卡爾的模塊化開發(fā)平臺TowerSystem可通過快速原型化和工具重復(fù)利用,節(jié)省數(shù)月的開發(fā)時間。飛思卡爾與GreenHills@和IAR等軟件公司建立了長期合作關(guān)系,這些軟件公司提供軟件、工具、參考設(shè)計、應(yīng)用說明、軟件示例和在線培訓(xùn),幫助飛思卡爾完善工具套件、簡化開發(fā)過程并加快上市速度。飛思卡爾高級副總裁兼微控制器解決方案部總經(jīng)理RezaKazerounian表示,“能夠成為業(yè)界最值得信賴的MCU提供商之一,我們對此感到自豪,而新的ColdFire+MCU只會進一步鞏固我們在市場中的地位。我們在ColdFire+這一品牌下推出了超過40款新產(chǎn)品,這一創(chuàng)新、可靠的產(chǎn)品系列將為我們的客戶提供完整的設(shè)計和支持工具套件,使他們現(xiàn)在就能夠自信地創(chuàng)建面向未來的技術(shù),我們對此信心百倍?!憋w思卡爾計劃于2010年下半年供應(yīng)第一批采用90amTFS技術(shù)和FlexMemory的MCU產(chǎn)品樣品,并計劃于2011年年中進行批量生產(chǎn)。更多有關(guān)ColdFire+的信息,請訪問www.freescale.co
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