（信号与信息处理专业论文）基于fpga的虚拟仪器卡的研究与实现.pdf

摘要 在电子测量领域，由于新的测试方法和测试理论的提出，传统的测试仪器能 发挥的作用越来越小了。另外传统测试仪器的更新换代需要设计更加复杂的电 路，开发的周期比较长，花费也比较大，给电子测量带来了很大的不便。而使用 “虚拟仪器”作为测试的设备则不需要更改底层的硬件电路，只需要在上位机上更 改软件就能设计出需要的虚拟测试仪器，大大缩短了开发时间。 传统的测试器件由于价格昂贵，很难满足所有学生的使用，而学校花大量资 金购买的测试仪器，可能我们只用到了其中很小一部分功能，而有些我们需要的 功能要求又无法满足，因此仪器的使用效率受到限制。另外在改善实验条件的时 候，又需要购买新的仪器，这样又需要花费大量的人力和物力，这就制约了实验 室科研发展的步伐。虚拟仪器的出现完全改变了以上情况，现在国内已经有部分 高校的实验室引入了虚拟仪器系统。 针对以上情况本课题设计了基于数据采集卡和虚拟仪器相结合的方法来实 现对信号的采集与处理。本课题以f p g a ( e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 n ) 为主控芯片，利用 f p g a 内部的逻辑资源在f p g a 内部生成n i o s 软核处理器、一些数字组合电路和 时序电路。由p c 机通过u s b 接口向n i o s 处理器发送控制命令数据，n i o s 处理 器接收到数据命令后发出控制指令来完成对外围芯片的控制，实现了对模拟信号 的采集和信号源的发生等功能。 本系统的大致工作过程如下t 外部输入的模拟信号首先经过信号调理电路， 将输入的信号幅值调整到a d 芯片的采集范围内，然后在n i o s 处理器的控制下， 将外部的模拟信号通过a d 芯片转换成数字量，转换得到数字量首先锁存在 f p g a 内部，然后在时钟信号的控制下将锁存得到的数据写入外部s r a m 中， s r a m 被写满后，由n i o s 处理器将s r a m 中的数据读取出来通过u s b 管理芯片 c h 3 7 6 将数据上传至t j p c 机，在p c 机上利用l a b v i e w 来实现数据的处理。 除了实现数据采集的功能，本系统还具有信号源输出的功能，能够输出频率 可调的信号，输出信号的类型有正弦波、三角波和方波。上位机和底层的通信是 通过l a b v i e w 提供的与外部代码或者应用软件相连接的动态链接库( d l l ) 机 制完成的，底层的数据采集板卡主要完成数据的采集与信号源的输出功能，上位 机的主要任务是提供控制操作的界面并能够显示采集到的数据波形。 关键词：f p g a ，虚拟仪器卡，n i o s i i 软核，u s b 数据通信，l a b v i e w a b s t r a c t i nt h ef i e l do fe l e c t r o n i cm e 踟e m e mt e c h n o l o g y , t h e r ec o n s t a n t l ye m e r g e m u c hn e wt e s t i n gm e t h o da n dn e wt e s tt h e o r y t h er o l eo ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n t si s b e c o m i n gm o r ea n dm o r el i m i t e d i no r d e rt ou p d a t et h et r a d i t i o n a lt e s te q u i p m e n t ， m u c ht i m ea n dm o n e yi sn e e d e dt od e s i g nt h ec o m p l e xc i r c u i t s ，w h i c hi sv e r y i n c o n v e n i e n c ei nt h ee l e c t r o n i cm e a s u r i n g t h eu s eo f v i r t u a li n s t r u m e m s a st e s t e q u i p m e n td o e sn o tn e e dt oc h a n g et h eu n d e r l y i n gh a r d w a r ec i r c u i t ，b u to n l yn e e d t o c h a n g et h eh o s tc o m p u t e rs o f t w a r e ，t h a t w i l ls h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tt i m e b e c a u s et h ep r i c eo ft h et r a d i t i o n a lt e s t i n gd e v i c ei sh i 曲，i ti sd i f f i c u l tt om e e t t h eu s eo fa l ls t u d e n t s 吼a t sm o r e ，t h et e s ti n s t r u m e n t ，w h i c ht h es c h o o ls p e n tal o t o fm o n e yt ob u y , as m a l lp a r to fi t sf u n c t i o nw i l lb eu s e d ，b u tt h ef u n c t i o nw en e e d c a n n o tb em e t s ot h ee f f i c i e n c yi nt h eu s eo ft h ei n s t r u m e n ti sr e s t r i c t e d i na d d i t i o n , i no r d e rt oi m p r o v et h ec o n d i t i o n so ft h el a b o r a t o r y , n e we q u i p m e n t sa r en e e d e d ， w h i c hw i l ls p e n dm u c hm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e ，a n dt h ed e v e l o p m e n to f l a b o r a t o r yw i l lb er e s t r i c t e d t h ee m e r g i n go fv i r t u a li n s t r u m e n tc o m p l e t e l yc h a n g e s t h ea b o v es i t u a t i o n i nv i e wo ft h ea b o v es i t u a t i o n ，t h i sp a p e rd e s i g n st h em e t h o do fa c q u i r i n ga n d p r o c e s s i n gs i g n a l sw h i c hi sb a s e do nc o m b i n i n go ft h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dt h e v i r t u a li n s t r u m e n t i nt h es y s t e m ，f p g ai st h ec o n t r o l l e rc h i p ，u s i n gi n t e r n a ll o g i c r e s o u r c e si n s i d et h ef p g at og e n e r a t et h en i o ss o f t c o r ep r o c e s s o r , s o m ed i g i t a l i n t e g r a t e dc i r c u i t sa n ds e q u e n t i a lc i r c u i t s s o m ec o n t r o l l i n gc o m m a n dd a t as e n d e d t ot h en i o sp r o c e s s o ri np ct h r o u g hu s bi n t e r f a c e s n i o sp r o c e s s o rr e c e i v e st h e c o m m a n d sa n ds e n d sc o n t r o l l i n gi n s t r u c t i o n st om a n a g et h ep e r i p h e r a lc h i p s ，s oi t a c h i e v e st ob eas o u r c eo fs i g n a l sa n dc a na l s og e ta n a l o gs i g n a l s t h es y s t e mg e n e r a l l yw o r k sa sf o l l o w s ：e x t e r n a la n a l o gs i g n a l sf i r s t l yp a s st h e s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，w h i c ha d j u s t st h ei n p u ts i g n a l s t ow i t h i nt h es c o p eo ft h e a dc h i p t h e nn i o sp r o c e s s o rc o n v e r t st h ea n a l o gs i g n a lt od i g i t a ls i g n a lb ya d c h i p ：f i r s t l y , l o c k i n g t h ec o n v e r t i o nr e s u l t i ss t r o e dw i t h i nt h ef p g a ； s e n c o n d l y ，w r i t i n gt h ed i g i t a ld a t ai n t oe x t e r n a ls r a m u n d e rt h ec o n t r o lo fc l o c k s i g n a l ；i ft h es r a mi sf u l l ，n i o sp r o c e s s o ru p l o a dd a t af r o ms r a m t oap c t h r o u g hc h 3 7 6 ak i n do fu s bm a n a g e dc h i p i np c ，l a b v i e wc a np r o c e s st h e l i u p l o a d i n g d a t a e x c e p tt h ed a t aa c q u i s i t i o nf u n c t i o n ，t h es y s t e ma l s oh a st h ef u n c t i o n o ft h e s i g n a ls o u r c eo u t p u t t h es i g n a l sf r e q u e n c yi sa d j u s t a b l e ，a n d t h eo 叫) u t3 1 9 n a lc 锄 b es i n ew a v e ，t r i a n g l ew a v ea n ds q u a r ew a v e t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n n o s t c o m p u t e ra n dt h eu n d e r l y i n gc p u i sc o n n e c t e dw i t ht h ee x t e r n a lc o d eo ra p p l l c a t l o n s o r w a r ew l l i c hp r o v i d e db yl a b v i e w d y n a m i cl i n kl i b r a r y ( d l l ) t h eu n d e r l y i n g d a t aa c q u i s i t i o nb o a r d sm a i n l yt oc o m p l e t et h e d a t aa c q u i s i t i o na n ds l g n a ls o u r c e o u t d u tf u n c t i o n t h em a i nt a s ko fp ci st oc o n t r o lt h eo p e r a t i o no ft h e 蚰d e f i y i n g c p ua n dt od i s p l a yt h ew a v e f o r mo f t h ed a t ac o l l e c t e d k e yw o r d s ：f p g a ，v i r t u a li n s t r u m e n tc a r d ，n i o s i i ，u s b c o m m u n i c a t i o n , t d b v i e w 1 1 i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 随着信号处理技术的快速发展，传统的测试仪器由于无法升级换代，特别 是当有新的计算方法和新的理念提出后，可能满足不了科研人员的开发要求， 给科研工作带来不便，同时会增加额外附加的科研成本【l 】。 传统仪器具有“功能更新周期长”、“无法自定义仪器的功能”、“与其它设备 连接困难”、“开发维护成本高”等问题【2 】，所以在对信号处理要求越来越高的今 天，用户希望能在虚拟仪器平台上来建立一个信号分析系统以解决上述问题。 另外通过调查显示在高校中存在“传统仪器提供的实验信息量有限，由于人 工读数而导致实验结果出现偏型3 j ”、“传统仪器无法进行远程实验，设备资源难 以共享”、“大部分设备落后于课程教学的需要”、“实验的内容侧重于理论的验证， 学生的实验内容统一，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高”等问题 4 1 ， 在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高。 目前在国内高校，虚拟仪器正逐步走进理工科课堂和实验室，越来越多的 学校通过购置美国n i 公司的产品组建高中档次的虚拟实验室，但成本相对比 较昂贵【5 1 0 基于以上的分析，我们希望寻求一种学生实用的、功能齐全的、操作方便 的测试仪器。而虚拟仪器的信号分析系统完全可以解决这个问题，用虚拟仪器 开发平台开发各种“虚拟仪器”，不但成本低廉、简单易行，更重要的是软件的升 级换代比较方便，且人机交互界面友好、可操作性和真实感与传统仪器基本相 n t 6 j 。 1 2 国内外现状 1 2 1 接口模块发展现状 计算机技术的高速发展为使用现代数字信号处理技术来处理大量高速的数 据提供了可能【7 】，而p c 机在科研和生产中的应用越来越广泛，因此要求开发基 武汉理工大学硕士学位论文 于p c 系统的高性能廉价数据采集处理系统，以满足数字信号处理新技术的需 求。 目前应用于p c 机的数据采集卡大多是基于i s a 和p c i 总线的【8 】，传统 的基于i s a 总线的信号传输效率低，严重制约系统性能的提高；而基于p c i 总 线的产品在性能上虽然大大改善，但是其产品价格比较昂贵，数据采集系统还 容易受机箱内坏境干扰而导致采集数据的失真，p c i 设备的安装也比较麻烦， 同时由于受计算机资源的影响，系统的可扩展性比较差1 9 1 。而u s b 总线从传统 v o 模式的桎梏中解放出来，开创了一条外设与计算机连接的新方法，以其即插 即用、传输速度高、容错性高、软件兼容性好、价格低廉等众多优点成为当今 最流行的计算机总线【l 们。采用u s b 总线能实现数据采集系统与p c 机的实时、 快捷、高速通讯。 1 2 2 控制模块发展现状 数据的采集与处理过程一直是生产实践与应用领域的难点和热点，随着电 子技术的发展和微电子制造工业的进一步完善，目前国内外对数据采集系统的 的控制越来越多的使用f p g a 芯片l 。在数据采集的控制模块上，传统的数据采 集控制模块正在逐步退出历史的舞台，而基于可编程逻辑阵列和片上可编程系 统的设计方法得到了越来越广泛的应用i l 引。现场可编程门阵列编程比较方便， 在一片f p g a 内部能集成上百片的标准器件，使得系统的集成度和可靠性得到了 很大的提高。而片上可编程系统( s o p c ) 是片上系统( s o c ) 和可编程逻辑技 术发展相结合的产物，是基于f p g a 设计方案的s o c ，是一种特殊的嵌入式系统 【1 3 1 。首先由于它是可编程系统，可以根据功能需要进行硬件资源的裁剪，并且 系统可升级，另外可以在片内实现系统的逻辑功能1 1 4 1 。在系统设计的过程中引 入s o p c 技术，会使得系统的集成度更高，功耗更小，系统的硬件成本更小，系 统的功能更强大【l5 。 1 2 3 怕转化器的发展现状 数据采集系统中的核心器件a d 模数转换器的两个指标，采样率和分辨率是 一对相互矛盾的指标，高采样率的a d 芯片很难做到高精度，而高精度的a d 又 很难做到很高的采样率。泰克和安捷伦两大测量业绩的大公司为了提高其产 2 武汉理工大学硕士学位论文 品的性能，在a d 转换器的发展上投入了大量的资金。目前的模数转换芯片 ( a d c ) 采样频率已经达至u g h z 的量级，采样精度有效位数可以达到2 4 位，总 的来说，a d 芯片处于高采样率低精度和低采样率高精度的现状【1 7 1 。 1 2 4 数据采集系统的发展趋势 数据采集系统从单通道发展到多通道，采样率，分辨率也越来越高。数据 采集系统作为一项专门的技术在实践工程中有着广泛的应用，目前数据采集正 向以下方向发展： ( 1 ) 数据采集片上系统，集成了数据的采集，数据的处理，数据的分析于一 体的数据采集芯片。 ( 2 ) 采用了新型的数据信息处理方法，采用神经网络、数据融合等技术，对 数据进行处理。 ( 3 ) 采用软件的方法对数据信息进行处理，它在一定的场合下能取代复杂的 硬件电路来对信号数据进行处理与分析【1 8 】。 ( 4 ) 数据采集系统的网络化，互联网技术的发展，为测量仪器技术的发展带 来了空前的机遇和发展，出现了网络化的测试技术。 从现在的情况来看，数据采集系统总的发展趋势是由低速、低分辨率到高 速、高分辨率的方向在发展，而目前，国外已经推出了适合各种技术指标的数 据采集产品系列。其中美国国家仪器有限公司n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 推出 了一系y d u s b 数据采集卡，其中的一些数据采集卡能适用于多通道，高精度的数 据采集，但是数据采集卡的价格比较昂贵，对于国内大部分公司和应用者来说 是无法承受的【i 引。 近年来国内有很多公司都推出了数据采集卡，像北京中泰研创科技有限公 司，成都中科动态仪器有限公司等，但是他们推出的产品都是基于u s b l 1 协议 规范的，其数据传输率有限，因此也制约了数据采集卡的采集速度【2 0 l 。目前国 内数据采集技术的研制虽说已经取得了一定的发展，但是对数据采集卡研究的 深度和广度还是很有限，特别是与国外的情况相比还有一定距离，在对数据采 样指标要求比较高的场合，多是选用的国外的数据采集产品【2 l 】。因此随着u s b 接口在计算机上应用的普及以及在实际工程中对数据采集卡要求的提高，利用 u s b 协议开发出符合多种场合要求的数据采集系统，以及此领域内先进产品的国 际化都成了亟待解决的实际问题。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题的主要工作 本文阐述了一种基于f p g a 的数据采集系统的总体设计方法，对系统各部分 功能的实现方法做了详细的介绍和分析。首先设计、制作了高速数据采集系统 的模拟板和f p g a 数字控制板，其次实现了数据采集功能和信号发生功能。数据 采集功能包括数据采集部分、数据上传部分、数据显示部分。数据采集部分的 实现是基于f p g a 的s o p c 的，利用f p g a 内部的逻辑资源生成一个片上n i o si i 处理器、一些组合电路和时序逻辑电路。数据的上传模块涉及到n i o s 处理器与 u s b 芯片的通信和u s b 芯片与上位机的通信，其功能的实现则是n i o si i 处理 器控制u s b 管理芯片c h 3 7 6 与p c 机通信来完成的。对于数据的显示，则是通过 美国国家仪器有限公司的l a b v i e w 软件在上位机上实现的。另外本系统作为实 验室教学虚拟仪器，还包含一路信号源发生模块，该模块能产生正弦波、三角 波和方波该模块也是通过n i o s i i 软核对d d s 芯片a d 9 8 3 4 的控制来实现的。本数 据采集系统以a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系y l j f p g a 芯片e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 n 最 小系统为核心，在其外部挂接了各种外围芯片来实现的。数据采集芯片选用a d 公司生产的8 位双通道最高采样速率为2 8 m s p s 高速a d 转换芯片a d 9 2 8 1 ，u s b 管理芯片采用南京沁恒公司生产的c h 3 7 6 。 1 4 系统的主要参数 ( 1 ) 输入信号的通道：两通道信号输入； ( 2 ) 被采集信号的分辨率：8 位； ( 3 ) 输入信号的幅值：+ _ 2 0 v ； ( 4 ) 输入信号的频率：z 删胁 = 2 m h z ； ( 5 ) 输出信号的通道：一个通道信号输出； ( 6 ) 输出信号的类型：正弦波、方波、三角波； ( 7 ) 输出信号的幅值：+ 1 0 v ； ( 8 ) 输出信号的频率：f o 埘 = 2 m h z ； ( 9 ) 数字量的输入：8 路数字量的输入； ( 1 0 ) 数字量的输出：8 路数字量的输出； ( 11 ) a d 芯片采样速率：六。 = 2 0 m s p s ； 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 2 ) 系统工作时钟：f p g a 外部接5 0 m h z 有源晶振，通过f p g a 内部锁生成 系统所需要的三个时钟，s d r a m 时钟为5 0 m h z ，s o p c 系统为5 0 m h z 还有一个 4 0 m h z 的时钟信号用来分频给a d 芯片提供采样时钟； ( 1 3 ) u s b 芯片：c h 3 7 6 ，使用芯片内置固件； ( 1 4 ) 系统所用到为：+ 1 5 v 、+ 9 v 、+ 5 v 、+ 3 3 v 、+ 1 2 v ，供电方式为外接 9 v 电源。 1 5 本论文的组织结构 本论文在结构上依照系统实现过程中的前后关系顺序展开，各章内容如下： 第一章：主要阐述了本系统的开发背景，并简单分析了本系统的主要内容 第二章：阐述了本系统的总体设计方案，并介绍了系统涉及到的有关技术 第三章：描述了系统的硬件设计方案，并对系统的实现进行了详细的说明 第四章：介绍了p c 机的驱动及控制软件的设计实现 第五章：总结与展望 1 6 本章小结 本章为论文的绪论部分，首先分析了本课题提出的背景和意义，其次阐述 了数据采集系统国内外发展现状，接着描述了本系统的主要内容，然后介绍了 本系统的主要数据参数，最后对本论文的组织结构进行了简单的说明。 5 武汉理工大学硕士学位论文 21 方案比较 第2 章系统总体方案设计 目前常用的数据采集的方式有内置式数据采集方式和外置式数据采集方 式，内置式数据采集方式是指将数据采集系统做成板卡的形式，通过p c f i s a 总 线扩展槽与p c 机相连，通过p c i i s a 的高速数据通道与p c 机进行大量数据的 交换，这种数据采集的方式会受到计算机插槽数量，地址和中断资源的影响， 而且板卡的安装不太方便，编程也比较麻烦，且数据采集系统容易受计算机本 身的影响，对数据采集的精度和稳定性会造成一定的影响；而外置式数据采集 的方式一般是通过串口线与p c 机相连，在某种程度上能克服内置式数据采集的 影响，但是由于是采用的串口线来传输数据，数据的传输速率收到影响，数据 的最高传输速率不能超过1 1 5 k b p s ，而且数据传输的距离也不会超过1 5 米，这样 在需要实现高速数据采集的场合这种方式的使用就受到了限制。 基于以上的分析，需要更好的数据采集方式来解决以上方式的不足。而u s b 高速数据传输方式的推出，则刚好能解决以上方式的不足，本课题就是采用u s b 接口的外置式方式来实现数据采集，采用这种方式既能保障数据采集设备处于 稳定工作状态，又能支持u s b 设备独特的热插拔，同时使用起来也比较方便。 基于u s b 接口的数据采集方式的硬件设计又有以下3 种方式，第一种是采 用u s b 接口芯片与常用的单片机相结合的方式，这种方式虽然硬件成本比较低， 但是由于受单片机片内资源的影响，硬件系统的设计会比较复杂，软件开发的 任务量也会比较大，同时由于受单片机工作时钟的影响，很难实现高速度和高 精度的数据采集系统的要求；第二种方式是采用高速的数字信号处理器( d s p ) 与u s b 接口芯片相结合的方式，这种方式由于的是高速数据处理芯片，芯片内 部的片上资源比较丰富，也能达到很高的处理速度，但速率提高的同时也大大 增加了系统的硬件成本，而且很难完成对外部复杂硬件的逻辑控制；第三种方 式则是采用现场可编程逻辑阵列( f p g a ) 与u s b 接口芯片相连接的方式，采 用这种方式能在保证实现高速数据采集情况下同时克服以上两种方式的不足， 因此本系统采用第三种方式【2 2 1 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 系统的总体结构 高速数据采集系统的设计目标包括：两个高速数据采集通道的输入，其最 大采样率为2 0 m s p s ，垂直分辨率为8 b i t ( a d ) ，采集数据存储深度为1 2 8 k ，采样得 到的数据在处理器的控制下通过u s b 管理芯片c h 3 7 6 上传到p c 机，在p c 机 上进行数字信号的处理与分析，同时本系统还包括一路信号源发生模块能发出 正弦波、方波、三角波，其信号的频率可控，系统结构框图如图2 1 所示。 图2 1 系统结构框图 如上图所示，外部输入的模拟信号首先经信号调理电路，在信号调理部分 将信号调整到a d 芯片的采样范围供a d 芯片采样，由于本系统采集得到的数 据是经过u s b 芯片上传到p c 机的，a d 芯片采样速率远高于u s b 芯片上传数 据的速率，因此先将采集得到的数据存储在s 咄中，在存满s r a m 后通过 c p u 控制u s b 芯片将数据上传到p c 机。在这里选择的s r a m 的深度是1 2 8 k 字节，在s r a m 被写满后会停止数据采集，这样外部输入的信号就会有一段时 间的数据没有被采集到，这段数据的范围被称为“死区”。在系统框图中s d r a m 是用来做程序存储器，在系统复位时，先将f l a s h ( e p c s ) 内的程序写入s d r a m 中，然后在s d r a m 中运行软核控制程序。由于本系统选择的f p g a 芯片的引 7 武汉理工大学硕士学位论文 脚数有限，在f p g a 芯片外部扩展了一片c p l d 芯片( e p m 2 4 0 t 1 0 0 c 5 n ) ，在 该c p l d 芯片上挂接了两片d a 芯片( a d 5 4 2 4 ) ，该芯片主要用于信号调理，实 现信号的可调放大，将输入信号的幅值调整到a d 信号的采样幅值范围，以满 足最大动态采样范围。同时在该c p l d 芯片上还留有4 * 4 矩阵键盘的接口、l c d 接口等用于人及交互的接口。另外在该c p l d 引脚上留有8 进8 出共1 6 路的数 字i o 口。系统的供电是由外部输入9 v 直流电，通过d cd c 模块将输入的9 v 直流电转成_ + 1 5 v 给运算放大器供电，同时进入系统的9 v 电压经过7 8 0 5 芯片得 到5 v 电压给s r a m 以及l c d 芯片供电，然后将5 v 直流电通过l m l 8 0 53 3 芯 片得到3 3 v 给c p l d 以及f p g a 供电，最后将3 3 v 电压通过l m l 8 0 51 2 芯片得 到1 2 v 电压给f p g a 内部的锁相环供电。信号的输出模块式由f p g a 内部的 n i o si i 软核控制d d s 芯片( a d 9 8 3 4 ) 实现的。 2 3 系统软件程序框架 本系统上位机和下位机的总体程序流程图如图2 2 所示。 上位机部分 图2 2 系统软件总体程序框图 8 武汉理工大学硕士学位论文 如上面图2 - 2 左图所示，上位机部分主要实现三个功能，一个是将控制命令 和数据通过u s b 下传通道传递给下位机的处理器，另外一个功能是通过u s b 的 上传通道从u s b 上传缓冲区中读取采集到的数据，第三个功能是在上位机上显 示读取到的数据。系统首先要连接u s b 设备，设置读写超时，以防下位机出现 异常时，上位机由于没能成功从u s b 的上传缓冲区中读到数据或没能成功向 u s b 芯片的下传缓冲区中写入数据而处于无限等待状态。 上位机的开发界面选择的是l a b v i e w 开发环境，选择l a b v i e w 作为开 发环境是因为该软件具有强大的信号处理能力，在采集到数据后方便信号的处 理，另外该软件的编程是基于图形化的，程序的编写比较方便。本系统的工作 主要为数据的采集、数据的存储、数据的上传、数据的显示和信号的产生，暂 没有涉及到信号的处理过程。 如上面图2 - 2 右边所示为下位机的程序流程图，在系统初始化完成了以后， 系统进入无限循环状态，在该状态中，系统首先是检测是否收到下传数据，如 果有则执行相应的命令，然后系统会监测s r a m 是否被写满( s r a m 写满后会 产生c p u 上升沿中断，在这里是检测中断标志) ，检测到写满中断标志后首先停 止数据采集过程，然后上传采集到的数据，直到所有的数据都上传完，在所有 的数据都上传完成之后，重新启动数据采集过程。接着回到系统循环过程检测 是否收到下传数据，如此循环反复。 2 4 系统中涉及到的关键技术 介绍完了系统的总体方案，现介绍一下本系统所使用到的关键技术。本系 统的主控芯片是一片f p g a 芯片，该芯片在系统中主要起到两个作用，一个是 利用该芯片内部的逻辑资源，在芯片内部生成了一些组合电路和时序电路，这 样在一个芯片内部就完成了需要多个芯片才能完成的工作，减少了板卡的布板 空间。 另外一个作用是在该f p g a 芯片内部生成了一个n i o si i 软核处理器，这 样可以方便对系统的控制，不需要在芯片的外部再额外的添加一个处理器了。 在f p g a 内部，芯片能够工作在很高的时钟频率下工作，因此能提高系统的运 行速度，在这里为了保证系统的稳定性，f p g a 的输入时钟和n i o si ic p u 的 运行时钟都是5 0 m h z 。另外在上位机方面，选择的开发环境是l a b v i e w , 选择 9 武汉理丁大学硕士学位论文 l a b v i e w 的原因是该软件强大的信号处理功能以及软件的编写是图形界面形 式的，对数据的处理比较方便，接下来介绍一下n i o si i 软核技术和l a b v i e w 。 2 4 1n i o si i 系统介绍 2 0 0 0 年，a l t e r a 发布了n i o s 处理器，这是第一款可用于可编程逻辑器件 的可配置的软核处理器，2 0 0 3 年，a l t e r a 发布了n i o s3 0 处理器，它有1 6 位和 3 2 位两个版本，能在低成本的c y c l o n e 和高性能的s t r a t r i x 芯片上实现【2 3 】。2 0 0 4 年6 月，a l t e r a 继在全球推出c y c l o n ei i 和s t r a t r i xi i 器件系列后，又推出支 持这些新款芯片的n i o si i 嵌入式处理器。与第一代n i o s 相比，最大处理性能提 高了3 倍，c p u 内核部分的面积最大可缩小1 2 ( 3 2 位n i o s 处理器占用1 5 0 0 个l e ， n i o si i 最少只占用6 0 0 个l e ) ，表2 1 简单介绍了n i o si i 处理器的特性。 表2 1n i o si i 处理器的特性 种类特性 3 2 b i t 指令集 3 2 b i t 数据宽度线 c p u 结构 3 2 个通用寄存器 2 gb y t e 寻址空间 基于边界扫描测试( j t a g ) 的调试逻辑，支持硬 片内调试 件断点、数据触发以及片外和片内的调试跟踪 定制指令 最多达至u 2 5 6 个用户定义i 拘c p u 指令 n i o si ii d e ( 集成开发环境) 软件开发工具 基丁g n u 的编译器 硬件辅助的调试模块 n i o si i 提供3 种不同的内核，以满足系统对不同性能和成本的需求，这3 种 内核分别为：n i o si i f , n i o si i s 和n i o si i e ，其中n i o si i 伪最高性能型，它占 用了最多的逻辑资源；n i o si i e 是经济型的，占用了最小的逻辑资源；而n i o si i s 是标准类型的，性能处于以上两种之间，占用的逻辑资源也介于以上两种之间。 n i o si i 处理器采用高性能的互联结构，内部采用a v a l o n 总线来连接主从构件， 并进行主从构件间的通信【2 4 l 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 如下面图2 3 所示，各个不同的主设备可以同时访问不同的外设，在不同的 主设备需要访问同一数据存储器的时候，有一仲裁结构来裁定由哪个主设备来 访问。 主外 从外 图2 3n i o si i 系统互联结构 与传统的处理器模式不一样的是在n i o si i 系统中可以根据需要选择最快 的内核处理器或者在一片f p g a 内部配置多个处理器的内核，用户自定义的功能 可以直接添加到n i o si i 系统中，这样可以加快专项任务的执行，提高系统的性 能。另外统处理器只有一个主设备，各个从设备需要竞争主设备，这样系统的 运行效率就很低了，而在n i o si i 中可以配置多个主设备，只要从设备是空闲的， 主设备就能访问它，相当于有几个处理器在并行工作，因此系统的运行效率有 很大的提高。在n i o si i 中可以根据需要配置自己想要的外设，比如定时器、串 口、通用i o 口等【25 。外设的个数也是可以根据需要改变的，本系统涉及到的外 设有：一个核处理器、一个s p i i s i 、一个s d r a m 控制器、生成的一些i p 核和几个 通用的i o 口。 现简单介绍一下本系统中涉及到的有关n i o si i 系统的开发，首先需要向 n i o s 系统中添加一个n i o s 的c p u ，用来作为下位机的控制中心，然后下位机的 程序是在s d r a m 中运行的，因此需要向n i o s 系统中添加一个s d r a m 控制器， 来对外部的s d r a m 进行管理。接着本系统的信号源是由n i o s 处理器来控制一 块d d s 芯片实现的，而该d d s 芯片是一个串行接口的，因此在n i o s 系统中添加 了一个s p i 控制接口来对d d s 芯片进行直接的控制。本系统中由于f p g a 可用的 i o 口有限，因此在f p g a 外部外接了片c p l d 芯片来扩展f p g a 可用的i o 口， 因此在n i o s 系统与c p l d 之间有一个控制模块，该控制模块是通过a v a l o n 总线 武汉理工大学硕士学位论文 挂接到n i o s 系统上的，另外在n i o s 系统中还有一些通用的i 0 1 来对外部器件 进行控制，最终生成的n i o s 系统如下面图2 4 所示。 c p u l 一c l k0 r e s e tn i v j s o t ot h ea d 9 8 3 4sriosijrom t h ea d 9 8 3 4 _ s r s c ：l kf r o mt h ea 1 3 9 8 3 4s r s snf r o mt h ea d 9 8 3 4s 只 o u t p o r t f t o mt h eic h a n n e l _ c o u p l e o u t _ p o r t _ f r o m _ t h e _ q _ c h a e n b _ c o u p l e z s _ a d d r _ f r o m - t h es d r a m _ c o n t r o l 11 0 】 z sb a f r o mt h es d f 狐ma 泔删f 10 】 z sc a $ r lf r o mt h es d r a mc o n t r o i z sc k ef r o mt h es d r a m n r r 0 l z s c snf r o mt h es c l r a m n r 同。i z sd qt oa n df r o mt h es ) f 弧mc o n r r o l 1 5 0 1 z sd q mf r o mt h es d r a m n 瓜o l f l 0 1 z sr a s nf r o mt h es d f a mo o n r r o i z sw enf m mt h es d r a m n r r o i o u t _ p o r t _ f r o m t h e 鼙j o u t _ p o r t _ f r o m t h e a d c s n o u t _ p o r t _ f r o mt h ea df r es e l 4 0 1 i n _ p o r tt ot h ec h 3 7 6 一i n t c r _ d s s j j r o r n _ t h e _ c p l d _ b u f 湿dd a tt oa n df r o m _ t h e _ c p l d _ b u f 7 o 】 c p l d r d n f r o m _ t h e _ c p l d _ b u f 饿眨朋己，l r o ，也胁e c p l d _ b u f c r d _ a d d r _ f r o 山e _ c p l d _ b u f 2 0 】 o u t _ p o r t _ f r o m - - l h er da d d r 1 6 0 1 i n _ p o r tt ot h er dd a t a 7 0 】 一c o 叫a t at ot h er d m o d e ? 一 c o na d df r o mt h er dm o d e 1 6 0 1 i n p o r tt ot h ew r s r a m _ i r q i n s t 5 图2 4n i o s 系统 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2l a b v i e w 开发环境简介 l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一 种图形化的编程语言和开发环境。l a b v i e w 把复杂、繁琐的语言编程简化成“用 图标提示的方法选择功能块、用线条将各种功能连接起来”的编程方式【2 6 】。用户 利用l a b v i e w 编程就好像在“绘制”程序流程图。l a b v i e w 编程语言具有如下 特点： ( 1 ) 实现了数据采集与仪器控制的完全图形化编程，用户无需编写任何文本 形式的程序代码。 ( 2 ) 提供了大量与外部代码或者应用软件相连接的机制，如动态链接库 ( d l l ) 、动态数据交换( d d e ) 、各种a c t i v e x 等。 ( 3 ) 具有强大的网络连接功能，支持常用的网络协议，便于用户开发各种网 络测控、远程虚拟仪器系统。 ( 4 ) 可生成可执行文件，脱离l a b v i e w 开发环境运行。虚拟仪器是以计算 机及操作系统为基础，实现各种仪器的测试功能。下面图2 5 反映了常见的虚拟 仪器的方案。 图2 5 常用虚拟仪器的应用方案 所有的l a b v i e w 应用程序，都由三个部分组成，即前面板( f r o mp a n e l ) 、 流程图( b l o c kd i a g r a m ) 以及图标连接器( i c o n c o n n e c t o r ) 。 前面板是图形用户界面，相当于标准仪器的面板，该界面上有交互式的输 入控件和输出显示控件。框图是v i 程序的图形化源代码，相当于标准仪器箱内 的功能部件。在框图中对v i 编程的主要工作就是从前面板上的输入控件获得用 武汉理工大学硕士学位论文 户输入信息，然后进行计算和处理，最后在输出控件中把处理结果反馈给用户。 图标