SOPC基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

摘要：提出了一種基于SOPC技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和存儲系統(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)采集與存儲接口邏輯、USB傳榆模塊和總線接口模塊來實現(xiàn)其硬件電路。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可同時對多種信號進行測量，有較大的存儲容量。由于采用了SOPC技術(shù)，該系統(tǒng)具有設計靈活、集成度高，以及較小的體積和較低的功耗等優(yōu)點。

引言：隨著集成電路的不斷發(fā)展，可編程邏輯器件FPGA因其功能強大，設計靈活，開發(fā)周期短等特點，得到越來越廣泛的應用。于是片上可編程系統(tǒng)(System On Programmable Chip，SOPC)的設計方法也越來越受到重視。SOPC將微處理器、存儲器、定時器、通用I/O接口等系統(tǒng)設計必需的功能模塊以及用戶設計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計方式使得對整個電路系統(tǒng)的裁減、擴充、升級變的很容易。這樣可以縮短電路設計的開發(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)，在一片芯片上實現(xiàn)，它包含Xilinx公司的一些標準總線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IP核。其中用戶自定義的IP核是用VHDL語言設計的，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。

整個系統(tǒng)設計可以分為硬件設計和軟件設計兩個部分。利用SOPC技術(shù)結(jié)合VHDL硬件描述語言，在芯片內(nèi)部設計硬件控制系統(tǒng)；利用EDK(嵌入式開發(fā)套件)為特定硬件配置自動生成的軟件包結(jié)合C語言，設計基于Microblaze處理器的軟件控制程序。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FPGA的硬件設計先確定要用的外部接口，然后進行IP核設計，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個獨立輸入通道，獨立的采樣保持(T/H)電路為每個通道提供同時采樣，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)字輸入來單獨配置每一通道的開啟和關(guān)閉。

2.2 FLASH存儲器

FLASH存儲器芯片采用8片三星公司的K9XXG08UXA系列的NAND Flash存儲器，該存儲器是按頁進行讀寫按塊擦除，通過I/O管腳分時復用發(fā)送命令/地址/數(shù)據(jù)。每片的存儲容量為512MB。存儲過程使用流水線方式對數(shù)據(jù)進行存儲。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，因此外部需要一個配置芯片在每次上電時可以將配置數(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。當系統(tǒng)上電時，芯片以主動配置方式來實現(xiàn)系統(tǒng)中FPGA的硬件配置。通過高速的串行接口，整個芯片的配置工作可以在很短的時間內(nèi)完成。

2.4 系統(tǒng)電源模塊

電源模塊的設計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，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USB通信協(xié)議全部由芯片自動完成，無須考慮底層固件的編程。該芯片可以使用內(nèi)部集成的時鐘電路進行工作，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個發(fā)送緩沖區(qū)，可以進行數(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就可實現(xiàn)與微控制器的數(shù)據(jù)交換。