FPGA的可重構測控系統應用設計

該測控系統由主控計算機和相對獨立的基于FPGA器件的測控系統兩大部分，通過通信接口連接而成。主控計算機主要實現人機對話功能，包括測試數據的處理、顯示及儀器軟面板的控制，可以利用虛擬儀器技術實現。基于FPGA器件的測控系統包括數據采集與輸出控制單元、FPGA單元和DSP單元，3個單元均有可重構功能，并接受主控制器單元的控制。基本功能塊是指作為計算機系統通用的不可或缺的電源、系統監控模塊及存儲器模塊。
2．2．1 可重構數據采集與輸出控制單元
該單元作為RMS的前向、后向通道與被測控對象直接相連。其中的信號調理電路可以設計成通用形式，并根據測控對象的數量、量程、模擬／數字類型、濾波參數等進行重定義和調整。例如可以采用可重構PAD器件直接與模擬測試對象相連，并由主控計算機完成設計、仿真、測試，通過主控制器單元實現重構。
2．2．2 可重構FPGA單元和可重構DSP單元
FPGA單元和DSP單元的功能可以預先根據實際測試對象的需要進行合理劃分，并在主控計算機上以IP核的方式完成設計、仿真、測試和整合的全過程，最后的配置數據流文件預先存放于相應的配置存儲器中(一般為SRAM或Flash存儲器)。這種靜態重構方式適用于對配置實時性要求不太高的一般場合，選用基于SRAM的FPGA器件和通用DSP即可。如果對配置切換的實時性要求較高，則可以選用特定的適于動態配置的FPGA器件，但成本要高昂得多。
2．2．3 可重構主控制器
主控制器單元是實現可重構功能的關鍵部分，它既是測控系統與主控計算機數據傳遞的通道，又是數據采集與輸出控制單元、FPGA單元和DSP單元的控制中樞。在系統重構模式下，它接收主控計算機的重構指令和數據，對FPGA和DSP的配置存儲器進行在線編程；在正常測控模式下，主控制器從FPGA和DSP獲得采集和處理的數據，并送主控計算機處理。
主控制器的設計可以根據系統規模合理選擇，可以采用通用MCU(如51系列單片機)、嵌入式SoC(如ARM)；也可利用FPGA器件實現，例如選用A1tera公司的Nios軟處理器核基于SOPC方法進行設計。
2．2．4 通信結構
RMS通信結構的選擇對系統的工作速度、實時性以及成本來說至關重要。
從通用性角度考慮，RMS的通信結構可以根據系統規模的需要選擇不同的形式。大型測控系統可以選用專用測控總線(如GPIB、CPI、CPCI等)，以標準化、模塊化插卡形式與主控計算機相連；小型系統則可以根據需要選用通用總線(如RS232、UART、USB、CAN總線)，有選擇地添加可編程I／O口、ZigBee無線通信接口、TCP／IP協議、以太網接口等通信、網絡擴展接口，以滿足無線通信和網絡測控功能擴展的需要。不論規模大小，接口類型各異，都可用IP模塊的形式進行設計并配置到FPGA器件上，以滿足不同應用需要。
值得注意的是，測控系統的通信結構設計不僅要包括系統總線的設計，還包括FPGA片內通信結構的設計。典型的可重構FPGA片內通信結構通常有片上總線和片上網絡兩種策略。片上網絡結構雖能較好地體現結構參數要求，但面積花費巨大；而片上總線結構憑借靈活性高、可延展、設計開銷小、帶寬要求較低、時延較短等優點，成為RMS的首選。考慮到FPGA的配置需要，在通信模塊、主控制器模塊和FPGA器件內都應設計相應的JTAG接口，以滿足數據流配置和在線測試的需要。
2．2．5 軟件重構
軟件重構是作為軟硬件協同設計實現的測控系統重構的必要內容。傳統的測控軟件常常是針對具體的測控、對象和硬件資源設計的，從而限制了不同型號、不同廠家、不同硬件接口的測控器件的使用。為實現測控系統的軟件重構，應打破傳統測控軟件的設計思路，采用“基于程序框架和可復用構件”的軟件復用思路”。如圖2所示，將測控軟件劃分為測控軟件平臺和測控驅動程序兩部分，其間通過軟件平臺提供的軟件接口來實現動態鏈接。測控軟件平臺主要實現主控計算機功能的控制，以及主控計算機與測控系統的驅動程序之間的數據通信。