基于SOPC的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

任 琳 殷 彤 劉慶山 萬(wàn) 娜 王 亙

（北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039）

1引言

當(dāng)今電子技術(shù)和工業(yè)控制技術(shù)快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已成為電子設(shè)備中的最重要的組成部分。現(xiàn)代化電子設(shè)備市場(chǎng)需求日益復(fù)雜和多樣化，正朝著高速、高集成度、低功耗的系統(tǒng)集成方向發(fā)展。相應(yīng)地對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)處理能力、數(shù)據(jù)傳輸性能和設(shè)備集成度也提出了更高的需求。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，已經(jīng)越來(lái)越難以滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性等苛刻要求。

近年來(lái)集成電路制造工藝水平大幅度提高，可編程邏輯器件FPGA在邏輯單元、芯片速度等方面的性能不斷提升，同時(shí)還成功降低了器件功耗，其邏輯規(guī)模已完全能滿足電路設(shè)計(jì)者將處理器、嵌入式外設(shè)以及復(fù)雜的邏輯電路整合到一片芯片上的需求，以此構(gòu)成性能強(qiáng)大、接口豐富、高效靈活的片上系統(tǒng)，即SOPC（System on Programmable Chip）技術(shù)。它結(jié)合了SOC集成度高、設(shè)計(jì)成本低和FPGA設(shè)計(jì)周期短、靈活性大的優(yōu)點(diǎn)［1,2］。設(shè)計(jì)師可以很快的將硬件系統(tǒng)（包括處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)接口和用戶邏輯電路）與常規(guī)軟件集成在單一可編程的芯片中。FPGA器件強(qiáng)勁的硬件性能，搭配Vxworks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的運(yùn)用，使得SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期更短，成本更低，更易于重構(gòu)和升級(jí)維護(hù)，能充分滿足控制應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性的要求［3］。

SOPC結(jié)合了SOC和可編程邏輯器件各自的優(yōu)點(diǎn)，一般具備以下基本特征［4，5］：至少包含一個(gè)嵌入式處理器內(nèi)核；具有小容量片內(nèi)高速RAM資源；豐富的IP核資源可供選擇；足夠的片上可編程邏輯資源：處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口；可能包含部分可編程模擬電路；單芯片、低功耗、微封裝。

為了滿足目前面向分布式、小型化方面的設(shè)計(jì)需求，本文提出一種基于SOPC的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)控制、信號(hào)采集及數(shù)據(jù)記錄等功能，本系統(tǒng)體積小、集成度高、通用化強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)，可靠性高。

2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制模塊和底板組成，如圖1所示。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能。

1）具有信息處理的功能；

2）具有儲(chǔ)存程序及數(shù)據(jù)的功能；

3）具有在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不加電時(shí)，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取的功能；

4）具 有 可 配 置 RS422 同 步/異 步 、1553B、FlexRay、CAN、以太網(wǎng)等通信接口，與外部設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的信息交換的功能；

5）具有可配置IO輸入輸出接口功能，可輸出相應(yīng)的控制信號(hào)及檢測(cè)相應(yīng)的輸入信號(hào)；

6）具有可配置AD模數(shù)轉(zhuǎn)換接口功能，可采集相應(yīng)的電壓及電流信號(hào)。

計(jì)算機(jī)控制模塊由SOPC、FPGA、接口芯片、電源芯片等組成，具有豐富的外圍接口，為系統(tǒng)提供控制平臺(tái)。底板主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出光電隔離、RS422通訊收發(fā)隔離、CAN通訊隔離、AD接口信號(hào)調(diào)理和信號(hào)隔離、FlexRay信號(hào)隔離濾波和終端匹配。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有豐富的接口，可實(shí)現(xiàn)4路RS422同步/異步通訊接口、1路1553B通訊接口、1路FlexRay接口、2路CAN通訊接口、1路RS422調(diào)試串口、120路數(shù)字量I/O接口（輸入輸出可配置）、16路AD接口、2路10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。只需要更改底板中相應(yīng)的信號(hào)隔離電路便可滿足不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，使得系統(tǒng)集成更加快速方便，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)通用性。

3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算機(jī)控制模塊

計(jì)算機(jī)控制模塊由SOPC、FPGA、接口芯片、電源芯片等組成。原理框圖如圖2所示。

處理器選用深圳國(guó)微電子第二代32位RISC高性能嵌入式SOPC芯片SM9A025，SOPC芯片遵循ARM體系架構(gòu)，片上集成16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache；擁有與CPU同頻的256KB高速程序存儲(chǔ)器和64KB高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；采用兩條獨(dú)立的32位AHB總線分別作為控制總線和數(shù)據(jù)總線。SOPC片上集成1553B、429、UART、LVDS、SPI、I2C、CAN、GPIO等豐富的外設(shè)控制接口；擁有timer、wdt、rtc、中斷控制器、浮點(diǎn)加速器等系統(tǒng)資源。

計(jì)算機(jī)控制模塊以SOPC芯片為控制核心，配合外圍時(shí)鐘、復(fù)位、SDRAM、FLASH、調(diào)試網(wǎng)口和調(diào)試串口等，為整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供控制平臺(tái)。采用256MB SDRAM作為SOPC的大容量外擴(kuò)內(nèi)存，使CPU能滿足程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理。SOPC內(nèi)集成2MB SPI FLASH，用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的Boot啟動(dòng)程序、用戶程序、SOPC內(nèi)置FPGA配置程序，并使用8MB SPI FLASH外擴(kuò)用戶程序空間。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由1GB NAND FLASH芯片構(gòu)成，主要用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)掉電時(shí)能通過(guò)上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)的功能，采用賽普拉斯的CY7C68013實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通過(guò)USB接口訪問(wèn)NAND FLASH。

使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)4路HDLC協(xié)議的同步/異步串口通訊。SOPC外擴(kuò)2片ADC實(shí)現(xiàn)16通道AD采樣。SOPC內(nèi)置1路1553B協(xié)議收發(fā)器經(jīng)過(guò)1553B耦合變壓采用直接或間接耦合方式，實(shí)現(xiàn)1路1553B通訊。120路數(shù)字量IO由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，輸入輸出屬性可以通過(guò)燒寫(xiě)FPGA程序調(diào)整。采用FlexRay協(xié)議芯片MFR4310通過(guò)AMI接口連接到FPGA上的方式實(shí)現(xiàn)1路FlexRay通訊接口，并預(yù)留FPGA IP核實(shí)現(xiàn)方式，后期可進(jìn)行IP核開(kāi)發(fā)。SOPC內(nèi)部自帶2路CAN協(xié)議處理器，底板中只需增加CAN收發(fā)器就可以實(shí)現(xiàn)2路CAN總線接口。SOPC內(nèi)部自帶UART0，再通過(guò)RS422電平轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成調(diào)試串口，主要用于調(diào)試時(shí)與上位機(jī)串口進(jìn)行通訊，并進(jìn)行程序升級(jí)。

3.2 主要外圍接口設(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)字量IO接口設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制模塊中數(shù)字量I/O由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)燒寫(xiě)FPGA程序可以改變IO的輸入輸出屬性，共可實(shí)現(xiàn)120路。底板中根據(jù)具體需要實(shí)現(xiàn)輸入輸出的光電隔離。I/O從上電到配置程序完成前一直處于高阻態(tài)。配置完成后，如果沒(méi)有接到任何命令，輸出IO一直保持高阻態(tài)，并在FPGA的數(shù)字量I/O輸出寄存器實(shí)現(xiàn)禁止輸出全“1”功能。

3.2.2 RS422通訊接口設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制模塊采用外置600萬(wàn)門(mén)FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)串口HDLC的協(xié)議，同步異步模式可配置，同時(shí)使用8片RS422收發(fā)器實(shí)現(xiàn)4路串口，底板設(shè)計(jì)有RS422隔離驅(qū)動(dòng)電路，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求來(lái)選擇是否需要隔離設(shè)計(jì)。RS422通訊接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

FPGA用于緩存RS-422通信數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO容量設(shè)置為256字節(jié)，通信速率采用115.2kbps，并可根據(jù)上層軟件設(shè)置調(diào)整波特率為38.4kbps或115.2kbps或 921.6kbps，通信誤碼率能夠?qū)崿F(xiàn)不大于10-7。

3.2.3 CAN通訊接口設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制模塊的SOPC內(nèi)部集成2路CAN協(xié)議控制器，通過(guò)上層軟件配置成兩路冗余的CAN總線通信功能，實(shí)現(xiàn)雙總線冗余設(shè)計(jì)，能夠兼容CAN2.0B和CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率可通過(guò)編程設(shè)置，且最高為1MBps。底板中設(shè)有CAN收發(fā)器，型號(hào)選用美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的LTM2889，LTM2889為電流隔離型收發(fā)器，該器件支持靈活數(shù)據(jù)速率，最高支持4MBps，可通過(guò)內(nèi)部隔離電路實(shí)現(xiàn)控制器和驅(qū)動(dòng)器之間的隔離，該芯片自帶ESD防護(hù)，能夠在收發(fā)器接口上承受瞬時(shí)25kV的電壓，并不會(huì)發(fā)生閉鎖或受損現(xiàn)象，達(dá)到隔離保護(hù)的目的。CAN通訊接口設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.2.4 FlexRay通訊接口設(shè)計(jì)

FlexRay接口實(shí)現(xiàn)方案為采用NXP的FlexRay協(xié)議控制器MFR4310和收發(fā)器TJA1080來(lái)實(shí)現(xiàn)，協(xié)議控制器MFR4310通過(guò)AMI（Asynchronous Memory Interface）總線與FPGA連接，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)MFR4310與SOPC的接口轉(zhuǎn)換。

計(jì)算機(jī)控制模塊只實(shí)現(xiàn)FlexRay通訊協(xié)議部分，信號(hào)隔離、總線收發(fā)器、信號(hào)濾波、終端匹配都在底板實(shí)現(xiàn)，整體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

3.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件分為三部分，分別為Boot啟動(dòng)軟件、VxWorks應(yīng)用軟件、上位機(jī)數(shù)據(jù)導(dǎo)出軟件。軟件組成圖如圖6所示。Boot軟件的功能是實(shí)現(xiàn)SOPC啟動(dòng)配置、初始化SOPC接口、VxWorks鏡像升級(jí)及加載、片內(nèi)FPGA代碼升級(jí)及加載。Vx-Works軟件的功能是實(shí)現(xiàn)VxWorks啟動(dòng)配置、接口驅(qū)動(dòng)以及USB數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，包括：SDRAM、UART、FLASH、ADC、1553B、以太網(wǎng)、CAN、FlexRay以及離散量輸入輸出IO。上位機(jī)數(shù)據(jù)導(dǎo)出軟件的功能是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不加電的情況下，通過(guò)USB接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出至上位機(jī)。通用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行VxWorks6.8系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)采用Workbench3.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持代碼編輯、編譯以及調(diào)試功能。軟件通過(guò)RS422調(diào)試串口進(jìn)行升級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種基于SOPC的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)以SOPC芯片為處理核心的嵌入式設(shè)計(jì)方案使整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的集成度、通用性和可擴(kuò)展性進(jìn)一步得到提高。經(jīng)過(guò)調(diào)試，系統(tǒng)各模塊技術(shù)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。采用基于SOPC的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比具有更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、更豐富的通訊接口以及較高的靈活性。為小型化、高性能計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 柏玉嫻.基于SOPC技術(shù)的嵌入式控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［D］.南京理工大學(xué)，2012.

［2］ 孫辰.基于SOPC架構(gòu)的IP核設(shè)計(jì)研究［D］.電子科技大學(xué)，2014.

［3］ 李廣深，任德志.基于SOPC技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表用戶，2007（4）.

［4］ 賀今朝.一種堆于FPGA的模糊控制器的研究［D］.大連理工大學(xué)，2002.

［5］ 嚴(yán)璐.SOPC技術(shù)在雷達(dá)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.南京理工大學(xué)，2009.