【doc】基于可重构方案的高速采集卡控制系统设计

【doc】基于可重构 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的高速采集卡控制系统设计 基于可重构方案的高速采集卡控制系统设 计 ?签Q:i ScienceandTechnologyInnovationHerald 基于可重构方案的高速采集卡控制系统设计? 刘彦君师奕兵 (电子科技大学自动化学院 王志刚田书林 四川成都610054) 高新技术 摘要:本文针对在高速数字系统中实现可重构硬件系统这一难点,介绍了一种基于非透明命令模式的高速采集卡控制系统.重点讨论7可重构 硬件系统在高速高速采集卡中的需求,以及基于可重构方案的控制系统的实现,包括高速高速采集卡可重构硬件系统的概念,可重构硬件控制系统 的架构,并给出了实验方案和实验结果. 关键词:可重构技术非透明命令模式数字信号处理器现场可煽程门阵列在系统可煽程 中图分类号:TP31文献标识码:A文章编号:1674—098x(2008)l0(c)一0022—02 1引言 本文介绍了一种基于可重构方案的高速 采集卡控制系统,该控制系统融会了可重构的 思想,通过非透明命令模式结构实现高速采集 卡的在系统可重构功能.本文从控制系统命 令总线和仪器数据总线的架构出发,基于高速 采集卡的功能需求,阐述了一种可重构控制系 统的设计.文中分析了可重构设计的要求与 实现方案,介绍了基于硬件监控处理模块和控 制逻辑模块的硬件控制系统的设计,并给出了 设计的实验结果. 2控制系统的设计 2.1高速采集卡控制系统设计方案 本设计的控制系统结构框图如图1所示, 其中黑色箭头线 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示数据总线,白色箭头线表 示命令总线.其命令系统基本 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 是:上层应 用软件根据用户的设置,将上层控制命令通过 命令总线发送到控制逻辑模块中锁存.监控 处理模块在检测到有上层命令到达控制逻辑 时,通过数据总线将命令读回.并根据命令协 议将上层命令解析为硬件能够接受的硬件控 制命令.之后,监控处理模块将硬件控制命令 发送到控制逻辑,通过控制逻辑将硬件控制命 令分发到仪器各个功能模块.其数据流结构 是:采样存储控制器在接收到控制逻辑分发的 硬件控制命令后,根据命令开始接收ADC采 样数据,对采样数据进行触发标记,并按命令 将采样数据存入高速RAM.在按要求长度存 入采样数据后,将其中部分或全部数据通过数 据总线发送至控制逻辑,这些数据将被监控处 理模块或上层应用软件直接读取. 2.2l监控处理模块设计 高速采集卡的监控处理模块的主要功能 一l一百I.:一一 一 IJl—T .—.————L 一 1 图1高速采集卡控制系统结构框图 硬件命令 图2系统命令流程示意图 是:(1)对上层命令按命令协议解析为硬件命 令;(2)对采样数据进行多样的数字处理. 本设计中,监控处理模块主要由TI公司 的TMS32OVC5416实现的.这是—款高速低功 耗的定点DSP芯片,可以达到最高100MHz的 工作频率,内部资源丰富,无论是在命令解析, 还是数字处理能力上都能符合设计要求.更 重要的是该芯片支持从外部存储区自启动,这 对可重构设计非常关键,关于这方面的设计将 在后续内容中作详细阐述.本设计的监控处 理模块采取空闲等待/中断唤醒模式,即在上 电后,监控处理模块首先对硬件系统初始化, 使其工作在一已知确定的状态.之后就保持 空闲等待状态,直至代表上层命令或采样数据 到达的中断信号有效时才开始进行后续的工 作.在后续工作完成后,监控处理模块返回空 闲等待状态.在后续工作未完成前,模块将屏 蔽所有中断,防止控制系统的紊乱. 2.3控制逻辑模块浊计 在一个复杂的高速电子系统中,控制对象 往往具有数量庞大,模式多样等特点,这将导 致大规模外围控制电路的需求.大规模外围 控制电路对模块化仪器的布局布线极为不利, 不仅需要大量空间,而且复杂的布局布线会导 致开发周期延长和很多不确定设计缺陷. 本设计的控制逻辑即是为了取代这样的 大规模外围控制电路,基于这样的设计思想, 本设计选用了Altera公司的Cyclone系列的 EPlC6Q24017芯片作为控制逻辑主芯片.该 FPGA芯片内部有90k的存储容量,6kLEBS,2 个PLL,该芯片成本低廉且引脚有240个,能满 足与其他模块的引脚连接,所以成为此控制逻 辑设计中最佳的选择器件.同时,该FPGA芯 片还能承担多种高速数字算法,如综合数字滤 波.信引佥波等等.该芯片通过一个配置ROM 芯片对内部逻辑进行配置,能够在系统实时下 载,是可重构设计的前提和保证. 3可重构系统中命令/数据流程分析 为了实现仪器的可重构设计,硬件命令流 和数据流具有非常明确的针对性.首先,其架 构必须要保证控制系统的可配置性;其次,控 制命令渠道应该是无缝隙的,即应覆盖硬件系 统所有模块;再次,数据流应具有多样性,能够 为多个处理模块提供数据. 3.1命令系统架构 根据图1的描述,命令系统主要包括监控 处理模块和控制逻辑.在监控处理模块中内 嵌了硬件与上位机的命令协议,监控控制模块 根据该协议解析上层命令,并通过控制逻辑将 命令分发到硬件系统.图2为命令流程的示 意图,该图表明了高速采集卡命令的传递方 式.该图表明,系统各个硬件模块均工作在控 ?本文为国家"863"项目资金资助,NO.2006AA06Z222 22科技创新导报ScienceandTechnologyInnovationHerald 制系统的监控之下,达到丁可重构设计中命令 渠道无缝隙覆盖的设计要求.各模块在控制 系统的指挥下选择性协同工作,降低了设计调 试难度,提高了系统工作性能同时,模块化 设计可以让系统的维护和排错更加便利. 3.2数据流架构 高速采集卡的主要功能是高速高精度的 模拟信号量化采集,对采样数据的各种后期处 理都是建立在高效.可靠的数据总线的基础 上的.高速采集卡的采样存储模块提供了强 大的数据采样存储功能,包括:最大64M字的 单通道连续存储;2k字步进的任意长度连续数 据存储(最大数据量<-64M字/通道);可变深 度预触发功能等.这样强大的数据采样存储 能力需要高质量的数据总线与之配套,才能使 其功能得以充分发挥.在高速采集卡中,数据 的流向和数据流长度是由控制系统绝对支配 的,这保证了高速采集卡能实现多样的信号获 取和分析功能.例如,高速采集卡的实时显示 功能和信号捕获功能.在这两种模式下,采样 存储模块的工作模式是不一样的.在实时显 示功能中,系统要求实时多次短数据量间断采 集存储,以提供上层应用软件的实时刷新与显 示,该功能与普通数字示波器类似,在一定场 合能完全取代普通数字示波器.在信号捕获 功能中,系统要求采样存储模块连续采样存 储,并监视敏感信号的能力.采样存储模块在 触发模块的配合下,对模拟信号长时间持续采 样存储,等待触发信号到达,并将满足触发条 件的数据按用户要求长度上传到上层软件. 同时,在各种功能下的上传数据均可以按用户 要求在底层硬件系统中进行FFT,时域相关, 综合滤波和参数检测等处理.数据总线需要 连接所有需要进行数据交换的模块,保证数据 流的畅通.数据总线的控制必须保证数据流 的流向正确,数据完整. 4系统可重构_i殳i十 41高速采集卡系统可重构的概念 现有的大多数可重构系统都是由微处理 器和可重构硬件构成的,基本思想是利用前者 的灵活性使系统对大多数应用都具有较高的 性能,利用可重构硬件实现面向应用的专用电 路.可重构系统既能获得数倍于微处理器的 性能,又可以针对不同性质的应用定制不同的 专用计算功能,并根据应用需求动态地将之配 置到可重构硬件上,能够比ASIC实现更加灵 活,同时能够降低系统的代价.高速采集卡系 统可重构包括系统功能与性能的可重构.在 应用环境变化时,高速采集卡可通过软件重构 和硬件重构改变其功能配置和某些性能指标, 以适应应用环境的变化. 可重构系统设计成功的关键是:特定领域 的灵活性,尤其是对于可重构片上系统来说. (下转24页) Q塑Q:塑 ScienceendTechnologyInnovationHerald = (1/)MQ.M(5) 根据信息守恒原理,分配系数满足 ?=1 经信息分配后总体估计X为最优,有 S,=?(MM,)(6) 为了获得总体最优,所有局部滤波器 应同时工作,局部滤波器的计算结果由主 滤波器输出同时更新,即 s?:Ms P=(1/)MM 4GPs/D嘲合导航系统中基=j晗 波的信息融合技术 (8) (9) 信息融合是在面向各种复杂应用,多传感 器信息系统大量涌现的时代背景下产生的. 如何将传感器的测量信息加以综合利用,最大 限度地提取有用信息,给出更正确的估计,识 别和决策.信息融合是对多源信息的综合处 理过程,通过对传感器得来的及其他已经掌握 的信息合理使用和支配,对空间或时间的上冗 余或互补的信息,依据某种准则进行组合,以 获得被测对象的一致性解释或描述.卡尔曼 滤波实时融合动态的低层次冗余传感器数据, 测量GPS/DR系统模型的统计特性递推,决定 统计意义下最优融合数据估计.因GPS/DR系 统具有线性动力学模型,且系统噪声和传感器 噪声是高斯分布的白噪声模型,卡尔曼滤波为 融合数据提供唯一的统计意义下的最优估计, 卡尔曼滤波的递推特性使系统数据处理不需 要大量数据存储和计算.联合卡尔曼滤波是 分散滤波在信息融合中应用的一种特殊形式. 信息融合技术的基本目标是利用多传感 器系统的优势,推导出更多的信息,提高多传 感器系统的功效.多传感器信息融合系统充 分有效地利用多传感器的资源,尽最大努力地 获得被测目标和环境的信息量.提高拥有多 个传感器智能检测系统的性能,减少全体或单 个传感器检测信息的损失.在多传感器信息 融合系统中,从传感器和融合中心信息流的关 系来看,信息融合的结构可分为串行,并行, 串并行混合和网络型4种形式.串行和并行的 结构如图2所示. 高新技术 5结论 对GPS/DR组合导航系统进行了原理分 析,并组建了GPS/DR组合导航系统的系统模 型.对基于联合卡尔曼滤波的信息融合技术 给予了理论分析和算法实现.分析了卡尔曼 滤波的原理及信息融合技术在GPS/DR组合 导航系统中的应用.结合GPS系统和DR航位 推算两种定位方式的优点,构建了基于联合卡 尔曼滤波的信息融合技术,实现了GPS/DR组 合定位系统的高精度数据融合.能更有效地 减少DR子系统线性化带来的误差损失,最大 限度的提高系统的可靠性和准确性. 参考文献 [1】董绪荣.一种低成本GPS组合导航定位系 统[J].指挥技术学院,2000,(10):728. 【2】史忠科.最优估计的计算方法【M].北京:科 学出版社,2001. (上接22页) 图3波形实时显示功能 目前,嵌入式系统的应用领域广泛,基于可重 构系统的开发者不必使用一种芯片来满足所 有要求,居大多数都满足某一特殊的领域.其 主要特点有:(1)系统中包含基于RAM的可重 构硬件,可根据需要动态地配置为相应的专用 电路;(2)打破了传统冯氏模型的限制,性能比 较高,(3)可重构硬件的动态部分重构能力使: "小硬件"能够完成.大任务,拓宽了系统应 用范围;(4)能为特定的应用领域提供灵话高效 的解决方案,便于系统的升级和错误修复,(5) 系统功耗比较低,生产规模小时具有较高的性 能价格比. 4.2高速采集卡硬件系统可重构设计 高速采集卡硬件系统的设计采用了一种 基于控制系统可重构的重构单元粒度较小的 设计方式.重构单元粒度较小是指系统仅为 元件级的重构,即重构时仅改变若干元件的逻 辑功能.通常情况下重构时连线资源的分配 状况不作修改.重构所需的电路配置信息在 系统运行过程中动态产生.重构时系统可以 不暂停,边重构边工作.这种重构系统设计复 杂,但灵活性大,能充分发挥出硬件运算的效 率,较适合被应用在高速数字滤波器,演化计 算,定制计算等方面. 在高速采集卡的硬件可重构设计方面,为 适应数字化接收机和信道化接收机的要求,将 通道调理,滤波器,信号数字化,存储等功 图4FFT运算 能采取模块化设计处理,各功能模块提供灵活 易兼容的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化接口,包括基本的信号电气, 机械,逻辑定义,以及用户可扩展的备用口 线l采用硬件可配置思路,通过可编程FPGA及 DSP灵活的可重构性及强大的数字处理能力 构建可编程的信号处理硬件平台,支持软件重 构中相应的对硬件定制需求,以及构建专门的 软件无线电接收机;通过数字化模块主从行为 功能的设计,如可定制功能的输入输出口,使 其满足多模块系统搭建的特别要求,通过硬件 的模块化,接口化设计,使系统在恶劣条件下 的可得以快速维修维护.总之,系统可重构设 计针对性极强,必须根据特定用户群的需求进 行分析,设计. 4.3可重构模块的选择与设计 本设计中,可重构模块主要包括监控处理 模块和控制逻辑模块.监控处理模块DSP芯 片的自启动功能和控制逻辑FPGA芯片的在 系统可编程功能是实现可重构设计关键所在. ?公司的1Ms320C5000系列DSP芯以 下简称C5000)是RAM型器件,掉电后不能保持 任何用户信息,所以需要用户把执行代码存放 在外部的无挥发存储器内,在系统上电时,通 过Bootloader(自启动程序)将存储在外部媒介中 的代码搬移到C5000高速的片内存储器或系统 中的扩展存储器内,搬移成功后自动去执行代 码,完成自启动本设计将一片Flash存储芯片 24科技创新导报ScienceandTechnologyInnovationHerald 作为DSP芯片的外部程序存储器,该Flash中 的数据可以通过DSP烧入和读出.在可重构 设计中,Flash芯片内部预先烧入了多套DSP程 序,根据用户需要,可对DSP程序进行选择性 重装载.这样可以实现控制系统对各个硬件 模块根据应用需要进行不同的组合控制,同时 也可以对不同数据处理功能进行配置.同时, Flash芯片中同样存储了多套FPGA程序,供 DSP向FPGA的配置芯片实时写入. 控制逻辑所使用的Cyclone系列EPlC6 Q24017芯片是通过一片EEPROM对其内部逻 辑进行配置的,支持在系统实时下载,即在不 断电的情况下改变其内部逻辑功能.该 EEPROM芯片支持串行控制,通过DSP的专用 串口MCBSP即可方便地对其进行写入操作. 多样的监控处理功能和多样的控制逻辑配合, 实现了整个控制系统的在系统可重构功能. 上层软件仅需要根据用户需求,将功能命令下 发,监控处理模块即可根据该命令对整个硬件 系统的资源进行最优化配置,在满足应用需求 的同时最大化节省系统资源,充分体现了可重 构技术的优越性. 5实验与结论 设计的高速采集卡可以实现多样的数据 ,软件系统提供基于功 处理和现实功能.同时 能的开发包供用户自行调用,用户可以根据自 身需求重新设计软件界面,以适应其具体应用 环境.下图给出了高速采集卡标准用户界面, 该标准用户界面涵盖了本仪器几乎所有直观 功能,用户可在该界面基础上自行开发. 参考文献 【l】壬新等.数字信号处理器与串行EEPROM 的接口设J】.电子工程师,2004,30(1):63— 66. [2】王立华.DSP系统的电源和复位电路设计 【J】.电子世界,20o5,8:29-30. [31徐胜.C5000的B()a【技J】.电 子产品世界,20o3,3:41-44.