基于SOPC技术的数据采集系统的设计方法
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作者: 李海波,许建明
摘要 本文提出一种以SOPC技术为基础的数据采集系统设计方法，包括系统设计的总体思路、系统处置与数据通信、系统的实现等内容，以提高数据采集系统运行的实时性、稳定性。
关键词 SOPC技术；数据采集系统；设计
中图分类号TP332 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）58-0162-01
SOPC技术源自SOC技术，主要特征为可编程性。一般SOPC的设计环境为SOPC Builder，主要集成于QuartusII中。在SOPC Builder中，具有友好的用户图形界面，用户可以通过界面中提供的IP库选择组件，如I/O、Flash、处理器等，并选择相应参数。另外，SOPC还有一个非常重要的功能：设计SOPC过程中，如果用户提出特殊要求，但是IP库中却没有，用户就可以通过自定义逻辑来满足要求。
1 SOPC技术的数据采集系统设计总体思路
数据采集系统作为DSP信号处理系统的一部分，整个系统包括放大信号、信号采样、信号滤波、高速处理数字信号、与计算器的数据传输接口相连等若干个部分。其中，放大信号主要是调理输入信号，符合采样要求；信号采样是将模拟信号转化为数字信号；信号滤波主要为了避免产生信号混叠现象；高速处理数字信号是建立在随机共振模型基础上，完善各种计算方法。
在应用Verilog HDL设计技术的基础上，实现自动在FIFO中存储数据以及硬件控制A/D转换，通过DSP系统输出的具体时间来确定采样频率。随着采样数据的增加，直到达到一帧，FIFO就会向DSP发出中断申请信号，由DSP系统将DMA开启，并完成数据的读取过程。在这期间，数据采集不中断，可实现连续性的实时数据采集与处理。在设计SOPC过程中，有些系统的功能可以直接通过IP数据库来完成，但是有时候IP库中的功能不够灵活。为了解决这一问题，就可通过客户的自定义功能来满足逻辑性。
2 系统配置与数据通信
2.1 系统配置
在该系统中，应用了大规模的FPGA嵌入式双NIOSII软核处理器，每个处理器都设定了独立的时钟，确保双核工作时间，同时提供了可以自行控制的独立区域。系统的主控制软件基于C语言设计，部分逻辑模块采取VHDL程序设计。因此，内部模块之间的数据交换具有一定可测试性，且可靠性较高，系统处理效率高。系统的主控器件是FPGA32位嵌入式的CPU系统，系统中各个功能模块在双核处理器的配合下完成工作。在SOPC内核中，CPU分别与外部逻辑单元连接、外设控制接口，负责系统的采集和存储功能。另外，在系统中实现Avalon和SDRAM的总线相连，兼容实现双核CPU功能，提高系统运行的安全性、可靠性，确保图像数据采集存储的真实性、完整性。
2.2 数据通信
在该系统中，两个处理器分别独立，但是共享同一个SDRAM，在SDRAM的内部区域合理分配，确保每个处理器之间的协调运作，提高处理器的独立性。在整个数据采集系统中，FPGA中的双核处理器之间数据通信包括信息的传递和协调，通过SOPC技术中自有的Mutex核以及Mailbox核协调两个处理器之间的正常工作，确保系统通信的正常运行。系统中的CPU处理器都设有LED等，以此作为调试的参照，当软核CPU运行时，可以共享存储器中的堆栈数据并接受外部命令，通过FPGA中的Mailbox核远程连接作用，向CPU2中传递信息，当CPU1中发出的信息传递到CPU2之后，调试相关时序，确保双核正常工作。当两个处理器处于同一个共享的存储器中进行通信时，可能产生ID冲突，造成采集数据的损坏。因此，该系统中应引进Mutex内核，当其中一个CPU结束对ID地址的访问之后，自动将Mutex释放，避免双处理器进行共享访问时，占用了同一个ID地址资源。
3 基于SOPC技术的数据采集系统实现
3.1 硬件的实现
通过集成于QuanusII中的SOPC Builder生成处理器，还包括一些外设功能，如Flash、SDRAM等，此时涉及的问题就是如何配置组件的参数。例如，需要使用什么样的串口波特率、NIOS微处理器等。用户可以根据实际情况进行设计。如果需要32位处理器的系统实现，再加上大容量寄存器文件，那么在对NIOS处理器进行配置时，就可以选择32位NIOS处理器以及512个存储器。这样，通过灵活选择组件的参数，提高了SOPC设计的灵活性。最后，通过Verilog HDL编写用户逻辑，实现数据的采集。考虑到用户逻辑应该和NIOS处理器实现通信，就应增设address和chipselect两大信号。其中，address为地址信号，chipselect为片选信号，在数值是“1”时，NIOS的处理器选为用户逻辑；只有通过address信号，才能将用户逻辑与总线中的NIOS处理器实现通信。最后，将整个项目编译完毕，并将后缀“sof”的文件下载到开发板的编程芯片中。
3.2 软件的实现
软件的实现是一个应用程序，在该部分中，主要考虑与NIOS总线相连接的用户逻辑问题。用户可以通过自定义的address和chipselect信号，通过SOPC Builder 自动分配到用户的逻辑地址。这样，对于访问用户逻辑，就可以实现访问用户逻辑的分配地址。
目前，SOPC已成为未来电子设计的发展方向，已经不再停留在单元电路层面，更重要的是集成信号采集、信号输出、信号处理等功能，最终成为一个具有应用价值的电子系统芯片。
参考文献
[1]柳秀山.基于SOPC的环境信息远程采集系统的研究[J].通信技术，2009(7).
[2]王建校，危建国.SOPC设计基础与实践[J].西安：西安电子科技大学出版社，2006.
[3]陈松柏，周进.基于DSP＋FPGA的多目标实时检测系统设计[J].信息与电子工程，2007(1).
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