摘要：提出了一種基于SOPC技術的數據采集和存儲系統(tǒng)的解決方案。該系統(tǒng)通過在一片Xilinx公司Spartan 3E系列的FPGA芯片上配置micro-blaze軟核處理器、用戶自定義的數據采集與存儲接口邏輯、USB傳榆模塊和總線接口模塊來實現(xiàn)其硬件電路。該數據采集系統(tǒng)可同時對多種信號進行測量，有較大的存儲容量。由于采用了SOPC技術，該系統(tǒng)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。
隨著集成電路的不斷發(fā)展，可編程邏輯器件FPGA因其功能強大，設計靈活，開發(fā)周期短等特點，得到越來越廣泛的應用。于是片上可編程系統(tǒng)(System On Programmable Chip，SOPC)的設計方法也越來越受到重視。SOPC將微處理器、存儲器、定時器、通用I/O接口等系統(tǒng)設計必需的功能模塊以及用戶設計的有特定功能的模塊集成到一片可編程邏輯器件上，構建一個具備軟，硬件在系統(tǒng)可編程功能的可編程片上系統(tǒng)。這種非常靈活的電路設計方式使得對整個電路系統(tǒng)的裁減、擴充、升級變的很容易。這樣可以縮短電路設計的開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)成本。MicroBlaze作為Xilinx公司開發(fā)的32位哈佛結構RISC型軟核處理器，適用于其所有現(xiàn)產的FPGA器件。采用這種“微處理器+可編程邏輯”的SOPC系統(tǒng)架構，用戶可方便的在系統(tǒng)中加入各種IP核，實現(xiàn)具有特定功能的，易配置、易擴展、易繼承的片上系統(tǒng)。
文中提出一種基于SOPC技術的多路數據采集與存儲系統(tǒng)的設計方法，利用硬件描述語言設計用戶IP核，實現(xiàn)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(tǒng)。這種可以方便地把用戶自定義的邏輯加入到系統(tǒng)中的設計，體現(xiàn)了用SOPC設計嵌入式系統(tǒng)的靈活性。
1 系統(tǒng)總體結構
整個系統(tǒng)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(tǒng)PROM配置電路和電源模塊等，其系統(tǒng)總體結構如圖1所示。
系統(tǒng)核心采用嵌入式技術，在一片芯片上實現(xiàn)，它包含Xilinx公司的一些標準總線IP核如中斷控制器，通用輸入輸出端口等模塊和帶有PLB總線接口的用戶自定義的數據采集與存儲IP核。其中用戶自定義的IP核是用VHDL語言設計的，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。
整個系統(tǒng)設計可以分為硬件設計和軟件設計兩個部分。利用SOPC技術結合VHDL硬件描述語言，在芯片內部設計硬件控制系統(tǒng)；利用EDK(嵌入式開發(fā)套件)為特定硬件配置自動生成的軟件包結合C語言，設計基于Microblaze處理器的軟件控制程序。
2 系統(tǒng)結構
FPGA的硬件設計先確定要用的外部接口，然后進行IP核設計，將IP核的邏輯功能映射到FPGA芯片上。其系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。
2.1 AD轉換芯片
AD轉換器采用MAXIM公司的MAXIM1308芯片，它是12位模數轉換器(ADC)提供8個獨立輸入通道，獨立的采樣保持(T/H)電路為每個通道提供同時采樣，提供+5V輸入范圍，20MHz、12位雙向并行數據總線用來提供轉換結果，并可接受數字輸入來單獨配置每一通道的開啟和關閉。
2.2 FLASH存儲器
FLASH存儲器芯片采用8片三星公司的K9XXG08UXA系列的NAND Flash存儲器，該存儲器是按頁進行讀寫按塊擦除，通過I/O管腳分時復用發(fā)送命令/地址/數據。每片的存儲容量為512MB。存儲過程使用流水線方式對數據進行存儲。
2.3 FPGA配置電路
Xilinx公司的FPGA器件是基于SRAM的內部結構，掉電后FPGA的內部邏輯丟失，因此外部需要一個配置芯片在每次上電時可以將配置數據加載到FPGA器件的內部SRAM中。配置芯片采用的是XCF04系列PROM串行配置芯片。當系統(tǒng)上電時，芯片以主動配置方式來實現(xiàn)系統(tǒng)中FPGA的硬件配置。通過高速的串行接口，整個芯片的配置工作可以在很短的時間內完成。
2.4 系統(tǒng)電源模塊
電源模塊的設計不僅需要為器件提供各種高性能的功率輸出，還要包括選擇合適的旁路、去耦電容，以濾除各種干擾信號，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。Xilinx公司Spartan-3E XC3S500E FPGA需要三種電壓供電才能正常工作：VCCAUX：1.2V±5%，VCCAUX：2.5V±5%，VCCO：3.3V±5%。利用TI公司TPS75003芯片加上必要的外圍電路作為該系統(tǒng)的完整的電源解決方案。
2.5 USB接口芯片
USB芯片使用由FTDI公司推出的FT245R，該芯片主要完成USB串行總線和8位并行FIFO接口之間的相互協(xié)議轉換。整個USB通信協(xié)議全部由芯片自動完成，無須考慮底層固件的編程。該芯片可以使用內部集成的時鐘電路進行工作，也可以使用外部晶振，本系統(tǒng)中使用外部晶振。完全兼容USB2.0協(xié)議。它有256字節(jié)的接收緩沖區(qū)和128個發(fā)送緩沖區(qū)，可以進行數據的大吞吐量操作。通過8位并行數據口D[0：7]和4位讀寫狀態(tài)/控制口RXF、TXE、RD、WR就可實現(xiàn)與微控制器的數據交換。
3 FPGA系統(tǒng)硬件設計
Xilinx公司EDK(嵌入式開發(fā)套件)的XPS(平臺工作室)的系統(tǒng)組建面板以展開式的樹和表形式顯示所有硬件平臺IP實例，因此用戶可以方便地查看自己的嵌入式設計。在此面板中可以對IP元素、端口、屬性以及參數進行配置。
3.1 用戶IP核設計
使用XPS進行基于MicroBlaze的用戶IP核的開發(fā)，該套件集成了硬件平臺產生器、軟件平臺產生器、仿真模型生成器、軟件編譯器和軟件調試工具等。
為實現(xiàn)系統(tǒng)功能，需自定義一個IP核實現(xiàn)數據的采集與存儲：該IP核包括五部分，分別為PLB總線接口模塊、數據采集模塊、數據緩存模塊、數據存儲模塊FLASH讀寫控制邏輯。
(1)數據采集模塊：利用FPGA邏輯資源實現(xiàn)A/D采集電路的控制邏輯。在功能上，該AD控制邏輯相當于一個主控制器。該控制過程無需處理器參與。另外AD控制邏輯與AD數據接口的分離，使得高速采集與發(fā)送數據成為可能。它連接兩片12位的8通道MAXIM1308轉換器，可實現(xiàn)多通道的數據采集。
(2)數據緩存模塊：在FPGA內部設計FIFO將AD轉換后的數據暫時存放其中。FIFO是Xilinx以FPGA片上Blockram為資源生成，F(xiàn)IFO模塊的主要功能是數據緩沖，實現(xiàn)速率匹配。該異步FIFO模塊在FIFO讀、寫控制模塊的控制之下進行異步讀寫，F(xiàn)IFO的讀時鐘受數據存儲模塊控制，寫時鐘受數據采集模塊的控制。FPGA內部設計了兩片12位的FIFO與上述兩片AD轉換器相對應。
(3)數據存儲模塊：對本系統(tǒng)使用VHDL語言專門設一個DMA控制器來連接FIFO緩存和外部FLASH存儲陣列。當FIFO緩存容量達到一定的值時可以啟動DMA控制器建立一個高速的通道以提供連續(xù)的數據傳輸，存儲到FPGA外部FLASH存儲器陣列。這個通道使得只要FIFO緩存中的數據達到一定的值時便能迅速地存儲到外部FLASH中，主設備不必為了確定從端口是否能夠發(fā)送或接收數據而不斷地訪問從外設的狀態(tài)寄存器。這使得系統(tǒng)的整體效率有了較大的提高，同時避免了自定義外設FIFO中的數據上溢或下溢。并且該過程只需要Microblaze處理器很少的干預即可完成，極大地節(jié)省了CPU資源。
(4)FLASH讀寫控制邏輯：主要實現(xiàn)K9XXG08UXA系列的NAND Flash存儲器的讀寫時序，完成對FLASH的操作。
在SOPC硬件系統(tǒng)設計過程中用戶IP核的設計是關鍵，它的設計是否成功決定著整個系統(tǒng)設計是否可行。在用戶IP核設計過程中AD控制器、FLASH控制器、DMA控制器的設計都比較成功的，圖3是對用戶IP核設計的部分驗證：示波器捕獲的讀FLASH存儲器ID號時序圖，且實驗證明讀出來的FLASH存儲器的ID號是正確的。其中通道0—4分別代表FLASH的CE(片選)、ALE(地址鎖存)、CLE(命令鎖存)、RE(讀)、WE(寫)信號。
3.2 設計生成FPGA硬件系統(tǒng)
在XPS嵌入式開發(fā)環(huán)境中將用戶IP核和標準總線核添加到系統(tǒng)中并將它們互相按規(guī)則連接起來。XPS提供了一個交互式的開發(fā)環(huán)境，允許用戶對硬件平臺各個方面進行設置。其中，XPS在高層對硬件平臺描述進行維護，此高層形式即為微處理器硬件規(guī)范(MHS)文件。MHS文件作為一個可以編輯的文本文件，是表示用戶嵌入式系統(tǒng)硬件部分的主要源文件。XPS將MHS文件綜合到硬件描述語言網表中，用于FPGA的布局布線形成FPGA系統(tǒng)的硬件結構，該過程即是生成硬件比特流的階段，形成后綴名為.bit的文件。
4 結束語
本文介紹了基于SOPC的多通道數據采集系統(tǒng)設計，可以對多種關心的環(huán)境參數進行采集并研究其特性。利用MicroBlaze微處理器搭建數據此采集與存儲的嵌入式可編程片上系統(tǒng)，可以由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能。便于系統(tǒng)實現(xiàn)小型化，集成化。這種靈活的設計方式可隨意擴展系統(tǒng)功能。在此基礎上嵌入操作系統(tǒng)，可以進一步開發(fā)功能更強大的實時數據采集設備。
作者：常璐 中北大學 來源：電子元器件應用