基于SOPC的以太網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對測控系統(tǒng)中設(shè)備分散，檢測環(huán)境惡劣的情況，設(shè)計了一種基于SOPC的以太網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采樣基于NiosⅡ軟核的SOPC架構(gòu)，以μC／OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)為軟件運(yùn)行平臺，以LWIP為以太網(wǎng)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和以太網(wǎng)傳輸及控制。整個系統(tǒng)在CycloneⅡEP2C35開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)并通過驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計要求并具有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：SOPC；以太網(wǎng)；NiosⅡ；LWIP；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集

    在工業(yè)測控系統(tǒng)中，往往存在現(xiàn)場檢測環(huán)境惡劣，設(shè)備分散，需要檢測系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程分布式數(shù)據(jù)采集功能，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程檢測與監(jiān)控。嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)將以太網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，很好的滿足這種需求。Ethernet與傳統(tǒng)通訊接口相比，具有性價比高、傳輸距離遠(yuǎn)、分布運(yùn)行等特點(diǎn)；SOPC是基于FPGA解決方案的SOC，是MCU、DSP、FPGA的有機(jī)結(jié)合，具有體積小、功耗低、可靈活配置等優(yōu)點(diǎn)。利用SOPC以太網(wǎng)技術(shù)將SOPC嵌入式測量模塊接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，使其實(shí)現(xiàn)PC機(jī)所具有的遠(yuǎn)近程測量控制和信息發(fā)布各項(xiàng)功能，讓工作人員遠(yuǎn)離現(xiàn)場，仍可以對測量設(shè)備進(jìn)行控制并獲得測量數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    本系統(tǒng)采用FPGA+NiosⅡ的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集模塊、FPGA模塊、存儲器模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先將待測量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)前端信號調(diào)理，A／D轉(zhuǎn)換寫入FPGA片上FIFO，然后FPGA讀出數(shù)據(jù)經(jīng)信號恢復(fù)、FIR數(shù)字濾波后存入RAM中，最后通過Ethernet傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示、診斷等處理。本方案可作為單獨(dú)采集系統(tǒng)和一臺計算機(jī)組成檢測系統(tǒng)；也可加入路由器，一個采集模塊與多臺計算機(jī)相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，或者一臺計算機(jī)與多個采集模塊相連，實(shí)現(xiàn)分布式檢測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    本設(shè)計采用的FPGA器件是Altera公司的Cyclone II系列EP2C35F672芯片。EP2C35內(nèi)置35個18×18的硬件乘法器，有105個M4K RAM塊，共483 840位。在FPGA基礎(chǔ)上構(gòu)建基于Nios II的SOPC系統(tǒng)，使用軟硬件協(xié)同的方法對A／D轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)絡(luò)傳輸芯片進(jìn)行控制。存儲器模塊包括SRAM、SDRAM、Flash 3種類型的存儲器。一片IDT71V416S256Kx16bits的SRAM，用作FPGA的緩存使用，存放運(yùn)行的程序；一片A3V64S40ETP4 Mx16 bits的SDRAM，用來存儲程序運(yùn)行的中間數(shù)據(jù)；一片AMD29LV128M123R 16 MB的FLASH存儲器，用來保存固化的程序和數(shù)據(jù)。為解決速率匹配、數(shù)據(jù)緩沖等問題，利用FPGA片上RAM資源設(shè)計8 k×16 bitsFIFO，將AD采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。
2．1 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊包括前端信號調(diào)理電路和A／D轉(zhuǎn)換電路。前端調(diào)理主要包括傳感器、調(diào)理電路。信號調(diào)理主要實(shí)現(xiàn)對模擬信號的緩沖、放大，以獲得ADC所滿足的輸入信號。
    本設(shè)計采用的A／D轉(zhuǎn)化器為美國TI公司的ADS8364，ADS8364是高速、低功耗，六通道同步采樣16位并行輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用+5 V工作電壓，當(dāng)工作頻率為5 MHz時，其同步采樣為250 kHz，轉(zhuǎn)換時間4μs。六路模擬輸入分為3組(A、B和C)，每個輸入端都有一個保持信號來實(shí)現(xiàn)所有通道的同時采樣與轉(zhuǎn)換功能，適合于多路采集系統(tǒng)的需要。3個保持信號(／HOLDA，／HOLDB，／HOLDC)可以啟動指定通道的轉(zhuǎn)換，當(dāng)3條HOLD線均為低電平時，6個模擬輸入同時被采樣。A0、A1、A2均接高，A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出FIFO模式。A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC，產(chǎn)生中斷。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將數(shù)據(jù)讀入FPGA的FIFO中。AD8364與FPGA的連接如圖2所示。

2．2 網(wǎng)絡(luò)接口模塊
    本設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)芯片采用DAVICOM公司的DM9000A，該芯片具有通用處理器接口、一個10／100M PHY和4 kbytes的SRAM，是一款低功耗高性能的網(wǎng)絡(luò)控制器。DM9000A支持8位和16位兩種數(shù)據(jù)接口，本設(shè)計采用16位模式。其接口電路原理圖如圖3所示。

2．3 SOPC設(shè)計
    FPGA硬件設(shè)計基于Altera公司的SOPC開發(fā)環(huán)境SOPC Builder．Altera公司為SOPC工具提供了眾多的IP核支持，可以直接調(diào)用。本設(shè)計中AD控制器需要自定制，用Verilog HDL編寫控制時序與接口邏輯，采用摩爾狀態(tài)機(jī)來產(chǎn)生ADS8364的轉(zhuǎn)換控制信號以及FIFO讀入時鐘。其控制模塊仿真波形如圖4所示。DM900A控制器使用友晶公司的DE2開發(fā)系統(tǒng)中為我們提供了DM900A控制器核。

    將NIOSII處理器、UART JTAG、SRAM控制、SDRAM控制器、CFI控制器、EPCS控制器、PLL及ADS8364控制器、DM900A控制器核添加到SOPC Builder中生成SOPC系統(tǒng)，如圖5所示。點(diǎn)擊Generate生成NiosII系統(tǒng)。然后在QuartusⅡ添加PLL模塊，添加輸入輸出引腳，完成頂層模塊硬件接口的連接。最后分配引腳，編譯下載到FPGA中，就完成了FPGA硬件設(shè)計。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計主要是在NiosII IDE環(huán)境中，采用μC／OS-II嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，使用LWIP作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。LWIP即Light WeightIP(輕量級IP)，是瑞十計算機(jī)科學(xué)院的AdamDunkels等人開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源碼的輕型TCP／IP協(xié)議棧。LWIP的主要目的是減少存儲器占用和代碼尺寸，使其適合應(yīng)用于小型、資源有限的嵌入式系統(tǒng)中。本設(shè)計使用標(biāo)準(zhǔn)的socket接口來實(shí)現(xiàn)TCP／IP操作。
    軟件主要由3個任務(wù)組成：數(shù)據(jù)采集任務(wù)、FIR濾波任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)。在程序中調(diào)用lwip_stack_init()函數(shù)和lwip_divice_init()函數(shù)分別完成協(xié)議棧和驅(qū)動程序的初始化，調(diào)用init_done_func()、get_mac_addr()和get_ip_addr()函數(shù)設(shè)置MAC和IP地址；然后由標(biāo)準(zhǔn)Sock et接口完成網(wǎng)絡(luò)操作。NIOSII開發(fā)包中有很多LWIP的編程實(shí)例，修改部分代碼即可使用。由μC／OS-Ⅱ的OSTaskCteate()函數(shù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集任務(wù)DataAcquisition Task()和濾波任務(wù)FilterTask()。
    數(shù)據(jù)采集任務(wù)負(fù)責(zé)從A／D輸出數(shù)據(jù)通過PIO口采集到片上FIFO中，通過調(diào)用IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA()函數(shù)在每個采樣周期連續(xù)采樣10次，將采集的數(shù)據(jù)放入FIFO中，喚醒濾波任務(wù)。濾波任務(wù)采樣FIR濾波，利用Altera提供的DSP Builder在FPGA中建立一個FIR濾波器，對一個采樣周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，然后將濾波后的數(shù)據(jù)放入發(fā)送隊列。通過仿真FIR濾波器對高頻信號有很好的濾除效果。網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)從發(fā)送隊列取數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。取數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。軟件流程如圖6所示。

4 結(jié)束語
    隨著計算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展，數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、通信、測試測量等領(lǐng)域，越來越多的設(shè)備需要網(wǎng)絡(luò)接入功能，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本設(shè)計將嵌入式SOPC技術(shù)和成熟的以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起組成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，介紹了從底層硬件，到NiosⅡ應(yīng)用軟件的整個架構(gòu)的設(shè)計。最后在開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果滿足設(shè)計要求，具有良好的性能。此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以根據(jù)
需要靈活配置，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。