SOPC基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種基于SOPC技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)的解決方案。該系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)接口邏輯、USB傳榆模塊和總線接口模塊來實(shí)現(xiàn)其硬件電路。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行測量，有較大的存儲(chǔ)容量。由于采用了SOPC技術(shù)，該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)靈活、集成度高，以及較小的體積和較低的功耗等優(yōu)點(diǎn)。

引言：隨著集成電路的不斷發(fā)展，可編程邏輯器件FPGA因其功能強(qiáng)大，設(shè)計(jì)靈活，開發(fā)周期短等特點(diǎn)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。于是片上可編程系統(tǒng)(System On Programmable Chip，SOPC)的設(shè)計(jì)方法也越來越受到重視。SOPC將微處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)器、通用I/O接口等系統(tǒng)設(shè)計(jì)必需的功能模塊以及用戶設(shè)計(jì)的有特定功能的模塊集成到一片可編程邏輯器件上，構(gòu)建一個(gè)具備軟，硬件在系統(tǒng)可編程功能的可編程片上系統(tǒng)。這種非常靈活的電路設(shè)計(jì)方式使得對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)的裁減、擴(kuò)充、升級(jí)變的很容易。這樣可以縮短電路設(shè)計(jì)的開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)成本。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)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(zhuǎn)換器、FLASH存儲(chǔ)器、系統(tǒng)PROM配置電路和電源模塊等，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)核心采用嵌入式技術(shù)，在一片芯片上實(shí)現(xiàn)，它包含Xilinx公司的一些標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)IP核。其中用戶自定義的IP核是用VHDL語言設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。利用SOPC技術(shù)結(jié)合VHDL硬件描述語言，在芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)硬件控制系統(tǒng)；利用EDK(嵌入式開發(fā)套件)為特定硬件配置自動(dòng)生成的軟件包結(jié)合C語言，設(shè)計(jì)基于Microblaze處理器的軟件控制程序。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FPGA的硬件設(shè)計(jì)先確定要用的外部接口，然后進(jìn)行IP核設(shè)計(jì)，將IP核的邏輯功能映射到FPGA芯片上。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 AD轉(zhuǎn)換芯片

AD轉(zhuǎn)換器采用MAXIM公司的MAXIM1308芯片，它是12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)提供8個(gè)獨(dú)立輸入通道，獨(dú)立的采樣保持(T/H)電路為每個(gè)通道提供同時(shí)采樣，提供+5V輸入范圍，20MHz、12位雙向并行數(shù)據(jù)總線用來提供轉(zhuǎn)換結(jié)果，并可接受數(shù)字輸入來單獨(dú)配置每一通道的開啟和關(guān)閉。

2.2 FLASH存儲(chǔ)器

FLASH存儲(chǔ)器芯片采用8片三星公司的K9XXG08UXA系列的NAND Flash存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器是按頁進(jìn)行讀寫按塊擦除，通過I/O管腳分時(shí)復(fù)用發(fā)送命令/地址/數(shù)據(jù)。每片的存儲(chǔ)容量為512MB。存儲(chǔ)過程使用流水線方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。2.3 FPGA配置電路

Xilinx公司的FPGA器件是基于SRAM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，掉電后FPGA的內(nèi)部邏輯丟失，因此外部需要一個(gè)配置芯片在每次上電時(shí)可以將配置數(shù)據(jù)加載到FPGA器件的內(nèi)部SRAM中。配置芯片采用的是XCF04系列PROM串行配置芯片。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，芯片以主動(dòng)配置方式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中FPGA的硬件配置。通過高速的串行接口，整個(gè)芯片的配置工作可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成。

2.4 系統(tǒng)電源模塊

電源模塊的設(shè)計(jì)不僅需要為器件提供各種高性能的功率輸出，還要包括選擇合適的旁路、去耦電容，以濾除各種干擾信號(hào)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。Xilinx公司Spartan-3E XC3S500E FPGA需要三種電壓供電才能正常工作：VCCAUX：1.2V±5%，VCCAUX：2.5V±5%，VCCO：3.3V±5%。利用TI公司TPS75003芯片加上必要的外圍電路作為該系統(tǒng)的完整的電源解決方案。

2.5 USB接口芯片

USB芯片使用由FTDI公司推出的FT245R，該芯片主要完成USB串行總線和8位并行FIFO接口之間的相互協(xié)議轉(zhuǎn)換。整個(gè)USB通信協(xié)議全部由芯片自動(dòng)完成，無須考慮底層固件的編程。該芯片可以使用內(nèi)部集成的時(shí)鐘電路進(jìn)行工作，也可以使用外部晶振，本系統(tǒng)中使用外部晶振。完全兼容USB2.0協(xié)議。它有256字節(jié)的接收緩沖區(qū)和128個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的大吞吐量操作。通過8位并行數(shù)據(jù)口D[0：7]和4位讀寫狀態(tài)/控制口RXF、TXE、RD、WR就可實(shí)現(xiàn)與微控制器的數(shù)據(jù)交換。