基于SOPC的數據采集系統設計

摘要：提出了一種基于SOPC技術的數據采集和存儲系統的解決方案。該系統通過在一片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其硬件電路。該數據采集系統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點。
關鍵詞：Microblaze；數據采集與存儲；SOPC；FPGA；IP核

隨著集成電路的不斷發展，可編程邏輯器件FPGA因其功能強大，設計靈活，開發周期短等特點，得到越來越廣泛的應用。于是片上可編程系統(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，硬件在系統可編程功能的可編程片上系統。這種非常靈活的電路設計方式使得對整個電路系統的裁減、擴充、升級變的很容易。這樣可以縮短電路設計的開發周期，節省開發成本。MicroBlaze作為Xilinx公司開發的32位哈佛結構RISC型軟核處理器，適用于其所有現產的FPGA器件。采用這種“微處理器+可編程邏輯”的SOPC系統架構，用戶可方便的在系統中加入各種IP核，實現具有特定功能的，易配置、易擴展、易繼承的片上系統。
文中提出一種基于SOPC技術的多路數據采集與存儲系統的設計方法，利用硬件描述語言設計用戶IP核，實現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。這種可以方便地把用戶自定義的邏輯加入到系統中的設計，體現了用SOPC設計嵌入式系統的靈活性。

1 系統總體結構
整個系統由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PROM配置電路和電源模塊等，其系統總體結構如圖1所示。

系統核心采用嵌入式技術，在一片芯片上實現，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；利用EDK(嵌入式開發套件)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。