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FPGA的可重構(gòu)測控系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

作者: 時間:2010-08-18 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 的提出
一般是指基于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制的系統(tǒng)。在工業(yè)現(xiàn)場控制、家庭數(shù)字化管理、通信和網(wǎng)絡(luò)等方面應(yīng)用廣泛,并不斷向低成本、高速、高性能、智能化、開放化方向邁進(jìn)。但現(xiàn)代測控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中仍然面臨不少的難題:
①設(shè)計(jì)速度難以適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代的快速變化。一般測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是針對某個特定的任務(wù),從設(shè)計(jì)到投入使用的周期至少1~2年,甚至長達(dá)4~5年。因此,在設(shè)計(jì)階段堪稱先進(jìn)的方案往往在投入使用伊始就已落后了。
②設(shè)計(jì)方案功能固定,通用性差,難以滿足不同層次、不斷變化的用戶需求。測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對具體用戶,配置各異,通用性較差。如何滿足不同用戶、不同層次的需要,尤其是多任務(wù)用戶需要是一大難題。
③虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用使得軟件重構(gòu)成為可能,但是達(dá)到還難以達(dá)到硬件重構(gòu)和“即插即用”的效果。
因此,研究一種軟硬件、開放化、普適性的測控系統(tǒng),對于實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)的快速、開放式設(shè)計(jì),降低用戶使用成本具有很高的應(yīng)用價(jià)值。本文基于現(xiàn)代測控系統(tǒng)的通用化結(jié)構(gòu)特征和的現(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)的發(fā)展,提出一種可重構(gòu)測控系統(tǒng)(Reconfigurable Mo―nitoring System,RMS)的設(shè)計(jì)構(gòu)想,并給出其應(yīng)用實(shí)例。
1.1 測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式和多任務(wù)特征
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和測控技術(shù)的不斷深入融合,現(xiàn)代測控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出通用化特征,即“系統(tǒng)前端(信息的數(shù)據(jù)采集(A/D))+數(shù)字信號處理(DSP)+系統(tǒng)后端(輸出(D/A)及顯示)”的模式。這種清晰的、通用化的結(jié)構(gòu)模式為用戶實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)的自組織、重定義和再利用創(chuàng)造了條件。
現(xiàn)代測控系統(tǒng)一般都具備多任務(wù)性,即系統(tǒng)需要同時完成幾個單獨(dú)的空間相關(guān)的(并行性)任務(wù),或順序完成幾個時間相關(guān)的(順序性)任務(wù)。傳統(tǒng)的多任務(wù)設(shè)計(jì)方法,是通過增加硬件的數(shù)量,或加大軟件的控制功能來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)性。一方面,增加了工程設(shè)計(jì)、調(diào)試的難度和成本,使得應(yīng)用系統(tǒng)越來越龐大、復(fù)雜;另一方面,電路和軟件的復(fù)雜帶給用戶眾多的麻煩。可重構(gòu)技術(shù)的出現(xiàn)為解決多任務(wù)問題提供了新的思路。
1.2 可重構(gòu)技術(shù)與可重構(gòu)器件
可重構(gòu)技術(shù)是21世紀(jì)初以來信息技術(shù)的研究熱點(diǎn),是一種可以根據(jù)系統(tǒng)功能變化的需要重組自身資源,實(shí)現(xiàn)軟硬件結(jié)構(gòu)自我優(yōu)化、自我生成的計(jì)算機(jī)技術(shù)。可重構(gòu)技術(shù)包括硬件重構(gòu)和軟件重構(gòu)兩個方面。根據(jù)應(yīng)用任務(wù)的需要進(jìn)行軟件重構(gòu),在傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已普遍存在,而硬件重構(gòu)(指系統(tǒng)的硬件邏輯結(jié)構(gòu)發(fā)生改變)則是傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)的。可重構(gòu)技術(shù)的廣泛應(yīng)用必須以提供可編程資源的可重構(gòu)硬件為物質(zhì)基礎(chǔ)。
隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,20世紀(jì)末出現(xiàn)的可編程邏輯器件(PLD)和可編程模擬器件(PAD)為測控系統(tǒng)的功能重構(gòu)提供了硬件基礎(chǔ)??芍貥?gòu)器件主要包括以下幾種:
(1)可重構(gòu)邏輯器件
的可編程器件是基于SRAM的,可以快速地重新編程,即所謂“現(xiàn)場可編程”。這一特性使FPGA獲得廣泛應(yīng)用,并成為可重構(gòu)測控系統(tǒng)發(fā)展的持續(xù)驅(qū)動力量。FPGA是構(gòu)建可重構(gòu)測控系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵器件。
(2)可重構(gòu)模擬器件
可編程模擬器件(PAD)既屬于模擬集成電路,具有信號調(diào)理、模擬計(jì)算、中高頻應(yīng)用等典型功能;又同PLD器件一樣,可由用戶通過現(xiàn)場編程和配置來改變其內(nèi)部連接和元件參數(shù),從而獲得所需要的電路功能。配合相應(yīng)的開發(fā)工具,其設(shè)計(jì)和使用均可以像PLD一樣方便、靈活和快捷。例如Lattice公司的可編程模擬芯片ispPAC30內(nèi)含4個輸入儀表放大器、2個獨(dú)立的內(nèi)部可控參考源和2個增強(qiáng)型DAC,提供了系統(tǒng)與測控對象的模擬接口,可用于連接模擬輸入,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能;利用其可編程功能,可針對不同應(yīng)用重構(gòu)其功能。但相對于可編程邏輯器件,可編程模擬器件問世較晚,品種偏少,還不能作為主流的可重構(gòu)器件。
(3)可重構(gòu)DSP器件
DSP器件適用于計(jì)算密集、算法復(fù)雜、并發(fā)性和實(shí)時性要求突出的場合,如帶有智能邏輯的消費(fèi)類產(chǎn)品、生物信息識別終端、帶有加解密算法的鍵盤、ADSL接入、實(shí)時語音壓解、虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等。這類智能化算法一般運(yùn)算量較大,特別是向量運(yùn)算、指針、線性尋址等較多,這些正是DSP處理器的長處所在。但常規(guī)的DSP無硬件重構(gòu)功能,而支持DSP器件硬件重構(gòu)的技術(shù)尚在研發(fā)中,難以投入大規(guī)模的應(yīng)用。當(dāng)然,可以通過傳統(tǒng)的軟件重構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DSP功能重定義,但這不是我們在此討論的內(nèi)容。一種實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)DSP器件的實(shí)用方法是利用FPGA器件實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的DSP功能(如參考文獻(xiàn)),其實(shí)質(zhì)是以可重構(gòu)的FPGA器件為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)DSP功能的重構(gòu)。
綜上所述,F(xiàn)PGA器件的現(xiàn)場可編程特征成為可重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵,為可重構(gòu)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了可行性。RMS就是以可重構(gòu)器件構(gòu)建系統(tǒng)硬件平臺,并在軟件平臺控制下產(chǎn)生不同的重載數(shù)據(jù)流來改變FPGA形成的硬件結(jié)構(gòu),以滿足不同任務(wù)要求。其實(shí)質(zhì)是一種軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。


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