FPGA的可重構測控系統(tǒng)應用設計

1 可重構測控系統(tǒng)的提出
測控系統(tǒng)一般是指基于計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制的系統(tǒng)。測控系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場控制、家庭數(shù)字化管理、通信和網(wǎng)絡等方面應用廣泛，并不斷向低成本、高速、高性能、智能化、開放化方向邁進。但現(xiàn)代測控系統(tǒng)在設計和應用中仍然面臨不少的難題：
①設計速度難以適應產(chǎn)品更新?lián)Q代的快速變化。一般測控系統(tǒng)的設計都是針對某個特定的任務，從設計到投入使用的周期至少1～2年，甚至長達4～5年。因此，在設計階段堪稱先進的方案往往在投入使用伊始就已落后了。
②設計方案功能固定，通用性差，難以滿足不同層次、不斷變化的用戶需求。測控系統(tǒng)設計針對具體用戶，配置各異，通用性較差。如何滿足不同用戶、不同層次的需要，尤其是多任務用戶需要是一大難題。
③虛擬儀器技術的應用使得軟件重構成為可能，但是達到還難以達到硬件重構和“即插即用”的效果。
因此，研究一種軟硬件可重構、開放化、普適性的測控系統(tǒng)，對于實現(xiàn)測控系統(tǒng)的快速、開放式設計，降低用戶使用成本具有很高的應用價值。本文基于現(xiàn)代測控系統(tǒng)的通用化結(jié)構特征和可重構的現(xiàn)場可編程門陣列FPGA技術的發(fā)展，提出一種可重構測控系統(tǒng)(Reconfigurable Mo―nitoring System，RMS)的設計構想，并給出其應用實例。
1．1 測控系統(tǒng)的結(jié)構模式和多任務特征
隨著計算機軟硬件技術和測控技術的不斷深入融合，現(xiàn)代測控系統(tǒng)在結(jié)構上呈現(xiàn)出通用化特征，即“系統(tǒng)前端(信息的數(shù)據(jù)采集(A／D))+數(shù)字信號處理(DSP)+系統(tǒng)后端(輸出(D／A)及顯示)”的模式。這種清晰的、通用化的結(jié)構模式為用戶實現(xiàn)測控系統(tǒng)的自組織、重定義和再利用創(chuàng)造了條件。
現(xiàn)代測控系統(tǒng)一般都具備多任務性，即系統(tǒng)需要同時完成幾個單獨的空間相關的(并行性)任務，或順序完成幾個時間相關的(順序性)任務。傳統(tǒng)的多任務設計方法，是通過增加硬件的數(shù)量，或加大軟件的控制功能來實現(xiàn)多任務性。一方面，增加了工程設計、調(diào)試的難度和成本，使得應用系統(tǒng)越來越龐大、復雜；另一方面，電路和軟件的復雜帶給用戶眾多的麻煩。可重構技術的出現(xiàn)為解決多任務問題提供了新的思路。
1．2 可重構技術與可重構器件
可重構技術是21世紀初以來信息技術的研究熱點，是一種可以根據(jù)系統(tǒng)功能變化的需要重組自身資源，實現(xiàn)軟硬件結(jié)構自我優(yōu)化、自我生成的計算機技術。可重構技術包括硬件重構和軟件重構兩個方面。根據(jù)應用任務的需要進行軟件重構，在傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計中已普遍存在，而硬件重構(指系統(tǒng)的硬件邏輯結(jié)構發(fā)生改變)則是傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計無法實現(xiàn)的。可重構技術的廣泛應用必須以提供可編程資源的可重構硬件為物質(zhì)基礎。
隨著微電子技術的不斷發(fā)展，20世紀末出現(xiàn)的可編程邏輯器件(PLD)和可編程模擬器件(PAD)為測控系統(tǒng)的功能重構提供了硬件基礎。可重構器件主要包括以下幾種：
(1)可重構邏輯器件FPGA
FPGA的可編程器件是基于SRAM的，可以快速地重新編程，即所謂“現(xiàn)場可編程”。這一特性使FPGA獲得廣泛應用，并成為可重構測控系統(tǒng)發(fā)展的持續(xù)驅(qū)動力量。FPGA是構建可重構測控系統(tǒng)必不可少的關鍵器件。
(2)可重構模擬器件
可編程模擬器件(PAD)既屬于模擬集成電路，具有信號調(diào)理、模擬計算、中高頻應用等典型功能；又同PLD器件一樣，可由用戶通過現(xiàn)場編程和配置來改變其內(nèi)部連接和元件參數(shù)，從而獲得所需要的電路功能。配合相應的開發(fā)工具，其設計和使用均可以像PLD一樣方便、靈活和快捷。例如Lattice公司的可編程模擬芯片ispPAC30內(nèi)含4個輸入儀表放大器、2個獨立的內(nèi)部可控參考源和2個增強型DAC，提供了系統(tǒng)與測控對象的模擬接口，可用于連接模擬輸入，實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能；利用其可編程功能，可針對不同應用重構其功能。但相對于可編程邏輯器件，可編程模擬器件問世較晚，品種偏少，還不能作為主流的可重構器件。
(3)可重構DSP器件
DSP器件適用于計算密集、算法復雜、并發(fā)性和實時性要求突出的場合，如帶有智能邏輯的消費類產(chǎn)品、生物信息識別終端、帶有加解密算法的鍵盤、ADSL接入、實時語音壓解、虛擬現(xiàn)實顯示等。這類智能化算法一般運算量較大，特別是向量運算、指針、線性尋址等較多，這些正是DSP處理器的長處所在。但常規(guī)的DSP無硬件重構功能，而支持DSP器件硬件重構的技術尚在研發(fā)中，難以投入大規(guī)模的應用。當然，可以通過傳統(tǒng)的軟件重構設計實現(xiàn)DSP功能重定義，但這不是我們在此討論的內(nèi)容。一種實現(xiàn)可重構DSP器件的實用方法是利用FPGA器件實現(xiàn)可重構的DSP功能(如參考文獻)，其實質(zhì)是以可重構的FPGA器件為基礎實現(xiàn)DSP功能的重構。
綜上所述，F(xiàn)PGA器件的現(xiàn)場可編程特征成為可重構技術應用的關鍵，為可重構測控系統(tǒng)的設計提供了可行性。RMS就是以可重構器件構建系統(tǒng)硬件平臺，并在軟件平臺控制下產(chǎn)生不同的重載數(shù)據(jù)流來改變FPGA形成的硬件結(jié)構，以滿足不同任務要求。其實質(zhì)是一種軟硬件協(xié)同設計技術。