基于FPGA的仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制器IP核設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)[1]廣泛應(yīng)用在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析以及教育訓(xùn)練中。在模擬過(guò)程中，存在大量向前端模擬裝置或仿真模塊發(fā)送指令數(shù)據(jù)，以及從模擬工作設(shè)備上讀取狀態(tài)參量的情況。在對(duì)大型工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真時(shí)，數(shù)據(jù)采集控制的復(fù)雜程度愈加惡劣[2]。通過(guò)改進(jìn)數(shù)據(jù)采集控制器的結(jié)構(gòu)，提高數(shù)據(jù)采集控制器的自動(dòng)化和集成化程度，可以有效地提高大型模擬仿真設(shè)備數(shù)據(jù)采集和控制的效率。

　　FPGA及SoPC技術(shù)的發(fā)展為此提供了新的解決方案。IP核(IP Core)是具有特定電路功能的硬件描述語(yǔ)言程序，可較方便地進(jìn)行修改和定制，以提高設(shè)計(jì)效率[3]。本文研究了基于FPGA的數(shù)據(jù)采集控制器IP 核的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法，該IP核既可以應(yīng)用在獨(dú)立IC芯片上，還可作為合成系統(tǒng)的子模塊直接調(diào)用，實(shí)現(xiàn)IP核的復(fù)用。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　數(shù)據(jù)采集控制器主要分為發(fā)送機(jī)制和接收機(jī)制兩部分。在傳統(tǒng)的模擬仿真系統(tǒng)[4]中，發(fā)送機(jī)制負(fù)責(zé)將模擬仿真系統(tǒng)主機(jī)控制程序模擬運(yùn)算的數(shù)據(jù)傳給事先定義的變量，通過(guò)專用接口卡將其放在絕對(duì)內(nèi)存地址單元中，再借助智能雙端口的工控機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)至前端，以驅(qū)動(dòng)前端設(shè)備(如儀表、顯示燈等)進(jìn)行顯示，或使前端設(shè)備(如開(kāi)關(guān)、閥門、步進(jìn)電機(jī)等)進(jìn)行動(dòng)作；接收機(jī)制與之相反，即實(shí)時(shí)地將從前端工控機(jī)采集的模擬設(shè)備的動(dòng)作量和狀態(tài)量(包括模擬實(shí)際情況的溫度量、壓力量等)讀到計(jì)算機(jī)內(nèi)存地址單元中，并通過(guò)專寫程序把這些變量值轉(zhuǎn)換成主控程序所需要的數(shù)據(jù)。

　　前端設(shè)備種類繁多，因此實(shí)際中需有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對(duì)前端設(shè)備的控制。此外，工控機(jī)與主機(jī)之間還必須通過(guò)專用接口進(jìn)行通信，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于設(shè)計(jì)和調(diào)試，同時(shí)降低了模擬仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和效率。

　　本文設(shè)計(jì)的IP 核將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中工控機(jī)和接口卡兩級(jí)的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)集成的控制器，由其完全承擔(dān)主機(jī)與前端設(shè)備的數(shù)據(jù)交換與通信任務(wù)。這樣，主機(jī)僅負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控以及對(duì)模擬仿真模型的規(guī)格運(yùn)算，而不再分出資源來(lái)管理前端模擬設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。結(jié)構(gòu)如圖2所示。