采用VHDL語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)軟IP核的設(shè)計

現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用在系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)分析以及教育訓(xùn)練中。在模擬過程中，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。在對大型工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)進行模擬仿真時，數(shù)據(jù)采集控制的復(fù)雜程度愈加惡劣。通過改進數(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言程序，可較方便地進行修改和定制，以提高設(shè)計效率。本文研究了基于FPGA的數(shù)據(jù)采集控制器IP 核的設(shè)計方案和實現(xiàn)方法，該IP核既可以應(yīng)用在獨立IC芯片上，還可作為合成系統(tǒng)的子模塊直接調(diào)用，實現(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)送機制和接收機制兩部分。在傳統(tǒng)的模擬仿真系統(tǒng)中，發(fā)送機制負責將模擬仿真系統(tǒng)主機控制程序模擬運算的數(shù)據(jù)傳給事先定義的變量，通過專用接口卡將其放在絕對內(nèi)存地址單元中，再借助智能雙端口的工控機將數(shù)據(jù)發(fā)至前端，以驅(qū)動前端設(shè)備（如儀表、顯示燈等）進行顯示，或使前端設(shè)備（如開關(guān)、閥門、步進電機等）進行動作；接收機制與之相反，即實時地將從前端工控機采集的模擬設(shè)備的動作量和狀態(tài)量（包括模擬實際情況的溫度量、壓力量等）讀到計算機內(nèi)存地址單元中，并通過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，因此實際中需有針對性地進行設(shè)計，以實現(xiàn)工控機對前端設(shè)備的控制。此外，工控機與主機之間還必須通過專用接口進行通信，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于設(shè)計和調(diào)試，同時降低了模擬仿真系統(tǒng)的實時性和效率。

本文設(shè)計的IP 核將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中工控機和接口卡兩級的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)結(jié)合起來，設(shè)計了一個集成的控制器，由其完全承擔主機與前端設(shè)備的數(shù)據(jù)交換與通信任務(wù)。這樣，主機僅負責對整個系統(tǒng)的監(jiān)控以及對模擬仿真模型的規(guī)格運算，而不再分出資源來管理前端模擬設(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。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于前述數(shù)據(jù)采集控制過程，本IP核分發(fā)送數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)兩種處理機制進行設(shè)計。相應(yīng)地，將本IP核內(nèi)部劃分為IP核控制邏輯模塊、數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、寄存器模塊、總線模塊以及時鐘模塊六部分。其相互關(guān)系如圖3所示。

主要模塊功能及其特征描述如下：

（1）IP核控制邏輯模塊：負責整個IP核的控制與運行，當接收到主機發(fā)來的工作命令后，該模塊根據(jù)命令的種類（發(fā)送數(shù)據(jù)或采集數(shù)據(jù)）向相應(yīng)的模塊發(fā)送控制命令；出現(xiàn)異常時，本模塊根據(jù)事先定義好的規(guī)則對異常情況進行處理；

（2）數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換模塊：該模塊在接收到IP核控制邏輯模塊發(fā)來的工作命令后，啟動數(shù)字信號——模擬信號的轉(zhuǎn)換；

（3）網(wǎng)絡(luò)通信模塊：采用專用的快速以太網(wǎng)控制器，利用其內(nèi)部集成的控制器及協(xié)議棧，可以方便地與前端模擬設(shè)備連接通信；同時利用其支持10/100 M全雙工傳輸模式的性能，實現(xiàn)快速收發(fā)數(shù)據(jù)的目的；

（4）寄存器模塊：包括寄存器訪問和寄存器單元兩部分。寄存器訪問部分的作用在于，當寄存器訪問程序被IP核控制邏輯選中調(diào)用時，IP核控制邏輯可通過其對寄存器單元進行讀或?qū)懖僮髟L問；寄存器單元部分作為發(fā)送或采集機制流水線工作時，數(shù)據(jù)流動的中間暫存介質(zhì)。基于本系統(tǒng)的設(shè)計目標，選擇SDRAM作為寄存器單元的硬件支撐，因其讀寫時序較復(fù)雜，需在本系統(tǒng)中集成專用的SDRAM控制器IP 核與其對接；

（5）總線模塊：負責各模塊之間信息的傳輸，如提供Avalon接口供寄存器訪問時使用，它使用Avalon必需的信號來訪問寄存器，并支持任務(wù)邏輯傳輸類型；

（6）時鐘模塊：產(chǎn)生相應(yīng)頻率的時鐘供給IP核，時鐘的頻率由系統(tǒng)時鐘頻率分頻所得。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本IP 核功能邏輯的設(shè)計基于其任務(wù)邏輯定制的基本功能和技術(shù)指標。本設(shè)計的任務(wù)邏輯主要完成對模擬仿真系統(tǒng)前端模擬設(shè)備發(fā)送指令以及采集前端模擬設(shè)備狀態(tài)量數(shù)據(jù)。其功能邏輯也基于發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)兩個數(shù)據(jù)流來設(shè)計，如圖4所示。

為避免高速、高頻系統(tǒng)時序中常存在的競爭、毛刺危險以及建立與保持時間相抵觸等問題，本IP核采用同步設(shè)計的方案。同時，為解決實際中仍會經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生毛刺和時鐘偏斜等問題。本IP核中擬將時鐘控制改為觸發(fā)器輸入允許，將時鐘選擇改為獨立的時鐘分析。

為加快本設(shè)計的運行速度及處理效率，本IP核的設(shè)計以功能邏輯處理機制為基礎(chǔ)，分別對發(fā)送流程和接收流程設(shè)計狀態(tài)機并實現(xiàn)。

在發(fā)送流程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，共有6個狀態(tài)，如圖5所示。IP核的控制邏輯判斷來自主機的發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，首先檢查其各功能模塊的準備情況，如果準備好，即開始發(fā)送數(shù)據(jù)，從寄存器單元中取出待發(fā)送數(shù)據(jù)并送至網(wǎng)絡(luò)通信模塊，由其發(fā)送至前端模擬設(shè)備。在此過程中，不斷檢測發(fā)送完成標志位DataEND，如果該標志位變?yōu)橛行t表示發(fā)送成功，將此信息反饋給主機并進入下一工作周期等待狀態(tài)；如果超時該標志位仍未變化，則反饋回主機發(fā)送失敗的信息，并請求重發(fā)。

相應(yīng)地，如圖6所示，接收流程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程有7個狀態(tài)。其工作大致與發(fā)送流程相同，只是接收數(shù)據(jù)從寄存器單元讀出后，要先經(jīng)過數(shù)據(jù)模式的轉(zhuǎn)換后，再發(fā)送給主機使用。

4 仿真與驗證

本文選用Altera公司的Cyclone系列的EP1C12240C8器件，并在Quartus7.2環(huán)境下采用VHDL語言實現(xiàn)前述IP 核的方案設(shè)計。IP核設(shè)計完成后，利用SoPC Builder對其進行功能仿真和時序分析。在仿真測試中，以按鍵模擬實際開關(guān)動作；以數(shù)碼顯示器數(shù)值變化模擬實際儀器儀表或傳感器動作，分別對該IP核的發(fā)送和接收功能進行仿真測試。

本IP核發(fā)送功能仿真測試所得波形如圖7所示。系統(tǒng)的時鐘允許信號ClockEna有效后，系統(tǒng)寄存器有效信號MemoEna及寄存器讀信號MemoRd相繼變?yōu)橛行В到y(tǒng)在IP 核處理邏輯給出發(fā)送信號SdEna之后開始發(fā)送寄存器中讀出的數(shù)據(jù)。在此過程中，不斷檢測發(fā)送完成信號DataEND及超時控制信號Timechip，如DataEND有效則停止發(fā)送，如前述兩信號同時有效或直到Timechip信號變?yōu)橛行?，則停止本次發(fā)送，向IP 核處理邏輯反饋重發(fā)信號Retry。同理，IP 核接收功能仿真測試所得波形如圖8所示。通過分析波形可以得出，IP 核處理過程與前述功能邏輯設(shè)計一致。

本文提出了一種數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)軟IP核的設(shè)計方案，對其采用VHDL語言描述實現(xiàn)，并進行了功能仿真測試。經(jīng)測試證明，該方案能滿足設(shè)計要求，且成本較低，處理邏輯簡單，可方便地移植到多種大型的工業(yè)模擬仿真系統(tǒng)中，應(yīng)用前景廣泛。