（电力电子与电力传动专业论文）sopc技术在道路交通信息采集系统中的应用研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ： a bs t r a c t a i m i n ga t t h et r a n s m i s s i o no fm a s sd a t aa n ds w i t c h i n gi no fm u l t i p a t ha n d d i f f e r e n tt y p es e n s o ri nu r b a nr o a dt r a f f i cc o n d i t i o n so b t a i n i n gt e c h n i c ，an e ws e n s o r n e t w o r ks t r u c t u r ei sp r o p o s e db a s eo nr e c o n f i g u r a b l et r a f f i ci n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n d s o f ts e n s i n gm o d e lr e s e a r c hp r o j e c t i nt h i sp a p e r , t h ez i g b e ei su s e da sl o w e rl a y e r n e t w o r ka n dt h ee t h e m e ti s r e g a r d e da su p p e rl a y e rn e t w o r k ，t h ef p g ai su s e dt o c o n s t r u c ts o p cs y s t e mt or e a l i z et h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g f o rs a t i s f y i n gt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to ft h ec o m p o u n d n o d e ，t h i st h e s i sw o r k e d o nt h ed e v e l o p m e n tb yt h eu s eo fs o p ct e c h n o l o g y f i r s t ，f i n i s ht h ed e s i g na n dd e b u g o fs o p ch a r d w a r es y s t e m ，i n c l u d et h ed e s i g na n ds e l e c t i o no fp r o c e s s o r , f l a s h ， s d r a ma n du a r ts o f t c o r e s e c o n d ，t h es e l e c t i o no fr t o s ，t h er e a l i z a t i o no fl a c o sk e r n e l ，t h ed e s i g no fc o m p o u n dn o d et a s k s t h i r d ，t h ed e v e l o p m e n to ff u n c t i o n m o d u l e ，i n c l u d et h ee t h e r n e tm o d u l e ，u a r tc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，r e a l t i m ec l o c k m o d u l ea n d1 2 cb u sm o d u l e v e r i f i e dt h ee t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，u a r tc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n d r e a l - t i m ec l o c km o d u l eo ft h ec o m p o u n dn o d ep r o t o t y p eb ys u f f i c i e n te x p e r i m e n t s r e c u r r i n gt h ea c q u i s i t i o no fs e n s o rd a t aa n dz i g b e ec o m m u n i c a t i o nb ym yf e l l o w , r e a l i z e dt h ew h o l ep r o c e s so fa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o n ，f o r m e d a c o m p l e t e dp r o t o t y p es y s t e m ，l a y e dt h ef i r s ts t o n ef o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：t r a f f i ci n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，c o m p o u n dn o d e ，f p g a ，s o p c ，uc o s c l a s s n 0 ：u 4 91t p 2 7 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：v 卞峰导师签名： 签字日期： 年6 月名日 签字同期： 护7 年加衫e l 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字同期：年月 日 7 1 致谢 本论文的工作是在我的导师张和生副教授的悉心指导下完成的，从论文的选 题、系统方案的设计、实验问题的解决等方面都凝聚着导师的大量心血。张和生 老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢 他这两年来对我热心的关怀和教诲，无论为人为学，都使我收获良多。至此论文 完成之际，向我的导师表示衷心的感谢和诚挚的敬意! 在实验室工作期问，同研究组的国彬、王强、郑巨明、潘成、揭志熹、王金 东和韦洁等同学无论在学习上还是在生活上都给予了我巨大的关心和帮助，让我 体会到了共同克服困难后的喜悦和手足般的深厚情谊。在本课题的研究过程中， 还多次得到杨宁同学的帮助，在此也一并向他表示感谢。 此外，我感谢我的父亲母亲，他们的理解和支持是我能够在学校专心完成我 的学业。在此对他们默默的付出表示深深的i 身 意。 再一次衷心感谢所有关心过我的老师、同学、家人们! 引言 1 引言 本章简要叙述了课题研究的项目背景与研究意义，介绍了交通信息采集技术 发展和现状，分析了我国目前的交通状态获取系统所面临的问题，并引出了本课 题对改进现有的交通状态获取方式可能起到的积极作用。最后给出了本课题的主 要工作内容及工作丌展的技术路线。 1 1 课题的项目背景与研究意义 本课题的研究内容依托于2 0 0 8 年教育部重点项目“交通状态信息采集的可重 构技术与软测量模型的研究”( 项目编号1 0 8 1 2 7 ) 中的子课题“基于可重构技术的交 通状态获取节点和组网设备”。 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，i t s ) 是解决当前大城市交通 问题的有效手段【1 】【2 】。先进交通管理系统( a d v a n c e dt r a 伍cm a n a g e m e n ts y s t e m ， a t m s ) 应用计算机、通信、传感器、数据管理与数据融合等技术，将车辆、道路 和交通管理系统连为一体，通过对交通设施和道路运行状态参数的检测得到交通 状态，根据交通状态和相应的控制手段( 如信号系统、信息发布板、交通广播等) 对交通流进行管理，调节和诱导并快速处理交通事故。a t m s 是i t s 的重要组成部 分和重要信息源，对i t s 各个组成系统提供数据支撑；同时a t m s 实现的交通控 制和管理也是i t s 的主要目标和落脚点。 在a t m s 中，交通状态的获取是最为核心的内容，交通状态获取的基础是动 态交通信息的检测和处理，包括网络交通流状态特征信息( 流量、速度、密度等) ； 交通紧急事故信息；交通环境信息等等【3 】【4 】。交通信息采集和处理方式影响交通流 检测和交通状态信息获取得准确性、影响交通控制和交通诱导策略的合理性。如 果交通信息采集存在缺陷，则交通控制和交通诱导策略难以奏效。以我国交通控 制系统为例，自八十年代开始，部分城市相继从国外引进了先进的交通管理控制 系统，如s c o o t 、s c a t s 系统等。由于我国混合交通流相互影响造成车辆排队、 停车延误而引进系统仅通过线圈传感器采集车流量、速度、占有率等信息，没有 检测停车延误，排队长度，交叉口行人行为等相关信息，国外行之有效的交通控 制系统在我国出现了“水土不服 的现象。由此可见交通信息采集系统和处理技 术在交通管理和控制中的基础性地位和重要作用。 目前我国大中城市已部署了大量的交通信息检测的传感器，如线圈、微波、 视频、红外、超声、温湿度等固定传感器，还利用出租车、公共汽车等公共交通 北京交通人学硕十学位论文 工具作为浮动车、或采用电子标签和牌照自动识别、采用移动电话等移动检测方 法。固定检测方式和移动检测方式各有优势，固定检测方式能够准确检测传感器 附近的交通流，但是线圈，微波和超声传感器无法对区间交通状态参数进行检测， 视频传感器尽管能够检测区间的交通参数，但目前还要依靠人工观察，还不能实 现准确的区间交通参数自动检测。另外，由于线圈传感器是破坏性，侵入性检测 器，其安装和维护费用很高，不适用在路段大规模部署，而其他的路面设备也有 很高的安装造价，或者检测精度依赖环境条件，因此，目前的固定交通状态采集 装置不能直接提供全空间交通状态信息。移动检测方式能够检测车辆全时空交通 运行状态，但仅用于安装g p s 接收器和电子标签的车辆，不能完全反映路段整体 交通流的运行状态，采用移动电话的检测方法还有法律和技术方面的问题。 目前部署的传感器相互独立，分属不同的系统，无法直接进行数据交互；传 感器功能有限，无法直接获取区间交通参数，不能获取全时空交通状态信息。由 于交通系统的各种应用要求多源交通信息，目前交通信息采集的传感器部署和运 用方式一方面产生了海量的异构数据、对数据传输网络资源浪费巨大，、对后台系 统的处理能力要求极高并导致面向全局综合应用的集成复杂性同益增加；另一方 面各种应用需要的交通状态信息又不能在线、实时、准确的获取。造成这一问题 的主要原因是现有信息检测装置功能单一，不能接入面向不同应用的多类型传感 器；采集装置缺乏数据处理能力，不能提取交通特征信息，不能获取区间交通状 态参数。 由于交通信息检测器安装困难，投资较大，不可能重新更换或者把现有的检 测器重新布置。因此解决现有的信息检测问题的有效方法是研究能够接入多类型 传感器、嵌入智能计算功能、可在线提取交通特征信息、可自主组网并满足不同 应用需求的信息采集和处理技术。 计算机技术、微电子技术、检测技术的发展为解决上述问题提供了条件。其 中具有可重构特点的s o p c 技术为解决交通信息采集问题提供了解决思路。 可重构技术是利用可重用的硬件资源，根据不同应用的需求，灵活的改变自 身的结构配置，为每个特定的应用需求提供与之相匹配的结构。可重构技术结合 了传统硬件和软件实现方案的优点，既具有硬件并行计算的快速性，又具有软件 的灵活性。基于静态存储器( s r a m ) 的大型现场可编程逻辑门阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 的出现和应用，提高了可重构技术的可行性和可 靠性，拓展了可重构技术的应用领域。此外，基于f p g a 芯片的s o p c ( s y s t e mo n p r o g r a m m a b l ec h i p ) 技术能够根据系统的不同应用需求嵌入不同类型的软核，从而 大大提高了系统应用的灵活性，此外，f p g a 还能嵌入基于不同传感器的软测量算 法电路，极大提高了系统的数据处理能力。 2 引言 1 2 国内外研究现状 1 ) 交通信息采集技术 交通信息采集技术源自道路交通控制，从1 8 6 8 年出现最早的交通信号灯以来， 道路交通控制已经经过1 0 0 多年的发展。早期的交通控制时凭肉眼观测道路交通 状况和手动控制信号灯。二十世纪三十年代初，在美国和英国相继采用气动橡皮 管作为车辆检测器得到交通状态来控制交通信号灯。随后，线圈检测器、超声波 检测器、光电检测器、红外检测器、微波检测器相继应用于道路交通控制中。1 9 5 9 年，德国慕尼黑利用摄像机监测中心广场的交通状态。七十年代，英国和澳大利 亚开发出基于线圈传感器的自适应交通控制系统s c o o t 和s c a t s 。进入八十年 代，智能交通系统得到发展，许多新的交通信息检测的传感器和新的检测方法用 于交通系统。 我国道路交通状态获取技术发展虽然起步晚，但也取得了较大成绩。7 0 年代 中期在上海和北京研制成功环形线圈、超声波、电磁式等多种车辆检测器。进入 九十年代中期，我国丌始进行智能交通系统的研究和开发。2 0 0 0 年完成中国i t s 体系框架和标准规范对我国建设i t s 奠定了基础。十五期间，我国i t s 开发和试 验由讨论可行性和必要性进入实际开发和试验阶段。在技术研究方面，i t s 关键技 术丌发和示范工程作为十五国家科技攻关重大专项已经在基础交通信息采集与融 合、i t s 数据管理技术、短程通信等关键技术展开了研究，并在北京、上海、天津、 重庆等十个城市丌展示范工程，形成了一些研究成果和原型系统。 2 ) 可重构和s o p c 技术 随着计算机软硬件的不断发展，许多应用领域中各类智能设备的不断发展， 对高性能信息处理系统的需求日益增长，主要体现在要求大数据量，大计算量的 高速处理；要求系统具有可针对应用环境变化的自适应性；要求系统小型化，低 功耗。传统的基于通用处理器通过软件编程实现基本算法的方法和基于专用集成 电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ，a s i c ) 的方法都无法满足这些要求，而 利用可重构技术的系统结合传统硬件和软件实现方案的优点，即具有硬件并行计 算的高性能，又具有软件的灵活性【5 1 。可重构技术是指在信息处理系统中，硬件模 块能够根据变化的数据流或算法进行重新配置和重新设置，即硬件结构可以根据 用户需求进行重新配置。在基于静态存储器的大型现场可编程门阵列出现以后， 可重构技术得到广泛应用。目前已应用的可重构系统包含了可重构逻辑部分和固 定逻辑部分。按照他们之间的耦合程度可以将可重构系统大致分为四种模式：功 能单元模式( 如i o ) 、独立处理单元模式和单芯片可重构计算系统模式。 可编程片上系统( s o p c ) 是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统( s o c ) ， 3 北京交通人学硕十学位论文 即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活 的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。 s o p c 技术主要应用以下三个方向： 1 ) 基于f p g a 嵌入i p 硬核的应用。这种s o p c 系统是指在f p g a 中预先植入 处理器。这使得f p g a 灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合在一 起，高效地实现s o p c 系统； 2 ) 基于f p g a 嵌入i p 软核的应用。这种s o p c 系统是指在f p g a 中植入软核 处理器，如：n i o si i 核等。用户可以根据设计的要求，利用相应的e d a 工具， 对n i o si i 及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资 源占用等方面全面满足用户系统设计的要求； 3 ) 基于h a r d c o p y 技术的应用。这种s o p c 系统是指将成功实现于f p g a 器 件上的s o p c 系统通过特定的技术直接向a s i c 转化。把大容量f p g a 的灵活性和 a s i c 的市场优势结合起来，实现对于有较大批量要求并对成本敏感的电子产品， 避丌了直接设计a s i c 的困难。 利用f p g a 可重构的特点并在其中嵌入i p 软核，可以满足复杂应用场合下对 系统硬件的苛刻要求。f p g a 也成为解决交通信息采集的强有力的技术手段之一， 既可以解决交通信息采集的多传感器接入后的数据处理问题，又可以面对不同的 应用得到不同的逻辑结构。 1 3 课题主要的研究内容和技术路线 本节将从课题研究的主要工作和技术路线两个方面来介绍课题的研究的内容 和实现的方案。 1 3 1课题的主要工作 结合项目课题，本课题主要做了如下研究工作： 对f p g a 、可编程片上系统( s o p c ) 、uc o s 操作系统、t c p i p 协议栈做 了较为深入的研究，并根据项目的需求，确定了在s o p c 系统上使用u c o s 操作系统，并在应用层编写程序来实现复合节点所需完成的功能； 结合课题，在m a r cs o p c 硬件平台上使用s o p cb u i l d e r 构建硬件系统， 并下载入系统的f l a s h 中： 基于硬件系统，按照功能将系统划分为多个任务，分别用于实现以太网通 信，串口通信，时钟控制等，并根据任务的重要性和实时性将它们划分为 不同的优先级； 4 引言 结合实验室的其余部分成果，在实验室的环境下搭建原型系统对系统各功 能模块进行验证。 1 3 2课题研究的技术路线 根据交通信息采集系统的研究特点，本系统在设计实现中采用了需求提出一 一硬件实现功能实现系统实现的技术研究路线，先提出系统的需求，然 后通过硬软件设计其所需要的功能，最后通过大量实验验证本系统方案实现的合 理性和可行性。图1 1 为本课题的技术路线图。 实验 验证 功能 实现 硬件 实现 需求 提出 系统搭建和实验分析 u a r t 通信实验以太网通信实验原型系统搭建实验 一一一一一 一 f 一一一 时钟：荟j i j 初 l w i p 协议 u a r t 始化和读取 实现实现 实现 程序窄间 数据窄间 + 的定义 i i c o s 操作 i tc o s 操作系统的实现 系统的灾现 + s d r a m l 。n 口 以太网控 以太网 控制器i 一 一l 。一、“” 制器存储模块 n i o s a v a l o n 1 一i f l 。h 通信模块 软核端口1 1 7 i lu a r t i 通信单元1 1 u a r tl 1 2 c 总线| 叫实时时钟单元l 交通状态获取概念的提出，复合节点中s o p c 模块的定位 图1 1 课题技术路线图 f i g u r e l 一1t e c h n o l o g yr o a d m a po f t h es y s t e m 1 ) 需求提出 本系统设计目标是使用s o p c 构建交通状态获取的复合节点，结合整个传感 器网络系统，本部分的功能需求有二： 结合系统的整体设计规划，在f p g a 上构建s o p c 系统； 北京交通人学硕士学位论文 在硬件系统上，选用uc o s 操作系统，并在n i o s 系统中编写相应的应用 程序来实现系统的功能。 2 ) 硬件实现 系统的硬件实现主要是针对已有的m a g i cs o p c 平台在f p g a 中构建s o p c 系 统，系统的硬件包含以下几个模块 处理器模块：根据f p g a 的容量和系统的需求，添加合适的软核处理器； 存储模块：s o p c 的网表文件、程序和数据需要有存储器进行存储，所以 系统需添加f l a s h 和s d r a m ； 实时通信模块：为了实现复合节点和上位机的通信，需在s o p c 系统中添 加以太网通信模块，u a r t 模块包含u a r t 和j t a gu a r t ，u a r t 完成 本系统与无线模块之间的通信，添加j t a gu a r t 方便软件的调试； 时钟模块：为能够实时记录下交通流数据发生的具体时间，需要在s o p c 系统中添加时钟模块。 3 ) 功能实现 i xc o s 实时操作系统：交通状态信息采集对系统的实时性提出了较高的 要求，所以在本设计中选用l ac o s 实时操作系统来保证系统的实时性； n i o s 应用程序：在uc o s 操作系统上，通过编写各功能模块的应用程序 来实现系统的功能，其中包含选用l w i p 协议栈来实现t c p i p 协议，通过 a n s ic 库函数访问u a r t ，时钟芯片。 4 ) 实验验证 根据搭建好的硬软件系统，设计实验来验证系统各模块和整个原型系统的功 能，其中包含u a r t 通信实验、以太网通信实验和原型系统搭建实验。 1 3 3论文的结构 本论文分五个章节对课题研究研究进行叙述 第一章为引言部分，主要介绍了课题的研究背景和研究意义，并介绍了国内 外发展的现状，以及使用s o p c 技术的必要性。 第二章介绍了在f p g a 上构建s o p c 硬件系统，主要介绍了系统硬件的整体 结构，软核的参数的选择以及添加。 第三章介绍了在n i o s 系统中使用实时操作系统pc o s ，介绍了实时操作系统 的特点，i xc o s 内核的结构，以及系统任务的分配。 第四章介绍了uc o s 操作系统上的应用程序开发，包含以太网应用程序的开 发，其中包含l w i p 协议栈的选择以及程序的封装，基于a n s ic 库函数访问的 6 引言 u a r t 和实时时钟应用程序的开发。 第五章介绍了系统的搭建和实验分析，其中包含u a r t 通信实验、以太网通 信实验和原型系统搭建实验。 7 s o p c 硬 ：，f ：系统设计 2s o p c 硬件系统设计 本章以分布式的交通状态获取系统为背景，针对实际道路交通的应用和s o p c 的特点，构建了适合于城市道路交通状态获取的s o p c 系统，并详细介绍了系统 的硬件组成和软核的嵌入。各项功能都基于其硬件条件和特点完成实现。 2 1交通状态获取系统的总体结构 交通状态获取是城市道路交通控制系统的基础性问题，是制定各项交通控制 策略的必要前提。目前我国道路交通系统中已布设了大量的各类交通状态检测传 感器，如环形线圈，地磁，超声等。这些传感器每天将产生海量的异构数据。以 北京市s c o o t 系统为例，遍布于城区主要交通干线上的1 0 0 0 多个传感器每月产 生的数据量达到几十g b 。美国圣安东尼奥市附近的高速公路( 4 6 k m ) 上的传感器每 天产生的数据量为1 2 0 m b 。在这种情况下，传统的城市道路交通控制系统所采用 的中央处理计算机集中接入和控制模式面临着巨大的数据传输和处理压力。 交通管理中央计算机 以太网 l i 今今 复 s o p cs o p c 合 系统 复 系统 a 口 竹 节 点 z i g b e e 无线z i g b e e 无线 通信模块 点 通信模块 f l f c ) 4 i g 络d f i , 麓 z i g b e e z i g b e e z i g b e e z i g b e e 接口 接u 接u 接口 接入话点接入裕点 数据处理数据处理 电路 l 电路 涡流涡流光电涡流涡流光电 传感传感传感 传感器 传感传感传感 传感器 嚣器器器器器 智能传感器智能传感器 图2 - 1 分布式交通状态获取结构示意图 f i g u r e 2 1a r c h i t e c t u r eo fd i s t r i b u t e dt r a f f i cc o n d i t i o n so b t a i n i n gs y s t e m 针对实际道路交通控制系统中传感器数据传输的问题，提出了一种分层的传 感器网络来实现数据的传输。底层通讯采用具有部署方便，实时性高的无线传感 器网络进行数据传输。上层通信采用接口方便和能够适应大容量数据传输的以太 网。上下层网络之间构建复合节点来减轻上层系统的数据处理压力，实现数据的 9 北京交通大学硕士学位论文 灵活传输。其系统的总体结构如图2 1 所示。 图2 1 中的无线传感器网络z i g b e e 部分由国家自然科学基金“交通信息采集 的无线传感器网络建模与信息协同处理方法研究”( 6 0 8 7 4 0 7 9 ) 负责开发，多传感器 接入的数据处理问题由“交通状态信息采集的可重构技术与软测量模型的研究 中的另一个子课题“面向交通状态信息获取的软测量模型研究 来负责研究。 本课题主要负责复合节点中交通信息的接入和以太网的数据上传，同时，添 加实时时钟芯片用于标记交通信息的产生时间，方便了对交通信息的存储和异常 交通流的时间判断。 从复合节点在系统中的功能和作用出发，研究面向初期实验调试阶段的基于 s o p c 技术的复合节点装置的概念样机， 器、以太网通信模块。u a r t 通信模块， 模块。 2 2基于f p g a 的嵌入式系统 其主要的功能模块包含n i o si i 软核处理 存储器模块( s d r a m ，f l a s h ) 、实时时钟 本节中主要介绍了可编程逻辑逻辑器件( f p g a ) 矛 in - 编程片上系统( s o p c ) ，并 对几种s o p c 系统进行了比较。在此基础上，对复合节点所采用的f p g a 和s o p c 系统进行了选型。 2 2 1 现场可编程门整歹t ( f p g a ) f p g a t 6 】即现场可编程门阵列，它是在通用阵列逻辑( g e n e r i ca r r a yl o g i c ，g a l ) ， 电可编程逻辑器件( e l e c t r i c a l l yp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，e p l d ) 等可编程器件的 基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出 现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 f p g a 采用了逻辑单元阵歹l j ( l o g i cc e l la r r a y , l c a ) 这样一个新概念，内部包括 可配置逻辑模块( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ，c l b ) 、输出输入模块( i n p u to u t p u t b l o c k ，i o b ) 和内部连线三个部分。f p g a 的基本特点主要有 1 ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到适用芯片； 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的样片； 3 ) f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚； 4 ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一； 5 ) f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 1 0 s o p c 硬件系统设计 随着可编程逻辑器件应用的日益广泛，许多i c 制造厂商涉足p l d f p g a 领域。目 前世界上有十几家生产f p g a 的公司，最大的三家是：a l t e r a ，x i n l i n x 和l a t t i c e ， 在本系统中，选择a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 的e p 2 c 3 5 6 7 2 c 8 n 作为处理器，具体原 因如下： 1 ) 从硬件设计上，e p 2 c 3 5 6 7 2 c 8 n 包含有3 3 2 1 6 个逻辑单元( l e s ) ，足够嵌 入一个n i o s i i 软核，此外拥有4 8 3 8 4 0 b i t s 的片上r a m 和4 7 5 个用户可用i o 口， 为原型系统的设计提供了较大的裕量； 2 ) 从软件设计上，a l t e r a 公司提供了完整的开发工具，通过a l t e r a 公司的 q u a r t u si i 软件可以对芯片的i o 管脚很方便的进行定义、配置。允许通过编程下 载到f p g a 中，在不改变电路板的基础上得到需要的功能电路、接口或控制功能， 通过s o p cb u i l d e r 对n i o s i i 软核外围基本器件进行配置。 2 2 2 可编程片上系统( s o p c ) s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ，可编程的片上系统) 【7 】是a l t e r a 公司提出 来的一种灵活，高效的s o c 解决方案。它将处理器、存储器、i o 口、低压差分 信号传输( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ，l v d s ) 、时钟数据恢复( c l o c kd a t a r e c o v e r , c d r ) 等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可 编程片上系统。 1 ) 基于f p g a 嵌入i p 硬核的s o p c 基于f p g a 嵌入式i p 硬核的s o p c 系统是指在f p g a 中预先植入处理器。目 前最常用的嵌入式处理器大多采用含有a r m 3 2 位知识产权处理器核的硬件。为了 达到通用性，必须为常规的嵌入式处理器集成诸多通用和专用的接口，但这样无 疑会增加芯片的成本和功耗。如果将a r m 或其他处理器核以硬核的方式植入 f p g a 中，利用f p g a 的可编程逻辑资源，按照系统功能需求来添加接口功能模块， 既能实现目标系统功能，又能降低系统的成本和功耗。 2 ) 基于f p g a 嵌入i p 软核的s o p c 系统 将i p 硬核直接嵌入f p g a 的解决方案有以下不足： 由于此类硬核多来自第三方公司，f p g a 厂商通常无法直接控制其知识产 权费用，从而导致f p g a 期间成本相对偏高； 由于硬核是预先植入的，设计者无法根据实际需要改变处理器的结构，如 总线规模、接口方式、指令方式，更不可能将f p g a 逻辑资源构成的硬件 模块以指令形式嵌入硬件加速模块； 无法根据实际设计需要在同一f p g a 中集成多个处理器； 北京交通人学硕+ 学位论文 无法根据需要裁减处理器硬件资源以降低f p g a 成本； 无法在特定的f p g a 中使用硬核嵌入式处理器。 根据以上所述，考虑到实际道路交通中需要接入多类型的传感器，即要求针 对不用的传感器具有不同的硬件加速算法，则须采用嵌入i p 软核的s o p c 系统。 2 3s o p c 硬件系统总体设计 j 以人网 芯片 + a v a l o ni 处邪器l l 以太网l 系统i 蒜ii 潦i a v a l o n 交换结构 j ；s善 3 2 位 a v a l o n 从a v a l o n a 1 6 位 a v a l o n 从a v a l o b 端u 端u 端u 从端u s d r a m j t a g 控制器 1 2 c 总线u a r t u a r t + +牛 1 + r s 2 3 2 8 位 a v a l o n i i s d r a m j 1 r a g 念从端u 存铭器 安时时钟 f l a s h 芯片 芯片 z i g b e e j 匝信模块 存储器 图2 2s o p c 系统结构图 f i g u r e 2 - 2a r c h i t e c t u r eo fs o p cs y s t e m 从复合节点在系统中的功能和作用出发，研究面向初期实验调试阶段的基于 s o p c 技术的复合节点装置的概念样机，其主要的功能模块包含n i o si i 软核处理 器、以太网通信模块。串口( r s 一2 3 2 ) 通信模块，存储器模块( s d r a m ，f l a s h ) 、实 时时钟模块。系统的硬件结构原理图如图2 2 所示。 各模块的简单说明 1 ) f p g a 采用a l t e r a 公司c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 3 5 f 6 7 2 ； 2 ) j t a g 接口用于硬件配置信息的下载和n i o si i 处理器应用程序的下载 3 ) f l a s h 芯片采用的是一片1 2 8 m b 的s 2 9 g l l 2 8 n 1 0 t f l 0 1 0 ( 8 m x1 6 b i t ) 。在 f p g a 器件上实现的n i o si i 嵌入式处理器可以使用f l a s h 存储器作为通用 的只读存储器和非易失性存储器，将n i o si i 处理器的应用程序通过编程器 1 2 s o p c 硬什系统设计 烧写入f l a s h 中； 4 ) 采用一片1 6 位总线1 2 8 m b 的d d rs d r a m 器件h y 5 d u 2 8 1 6 2 2 e t - j ，d d r 非常适合作为需要大量存储且有成本要求的系统。 5 ) 为了实现复合节点和上位机的以太网通信，需要添加以太网控制芯片，这 里采用的d m 9 0 0 0 e1 0 1 0 0 m 的以太网控制器，以实现海量交通数据的传 输； 6 ) 由于z i g b e e 无线通信模块的对外接口只有u a r t 通信接口，为了能够将 来自接入节点的交通流数据接入，验证原型系统的可行性，在电路中添加 了u a r t 模块； 7 ) 为了能够记录交通流数据发生时间，系统添加了采用1 2 c 接口的低功耗的 c m o s 实时时钟同历芯片p c f 8 5 6 3 t , 所有数据通过1 2 c 总线进行串行传 输。 2 4s o p c 硬件模块定制 针对a l t e r a 公司s o p c 系统的特点和交通信息采集系统的实际需要，对复合 节点所需的处理器和外围设备的软核进行选择，并根据应用需求定制软核相关参 数。 2 4 1n i o si i 软核 所谓的软核，是指未被固化到硅片上，使用时需要借助e d a 软件对其进行配 置并下载到可编程芯片( 比如f p g a ) 中的软核。软核最大的特点就是可由用户按需 要进行配置。 n i o si i 是目前最有代表性的软核( s o f t c o r e ) 处理器，它采用哈佛总线结构，数 据总线和指令总线分开。为了提高系统的整体性能，n i o s i i 内核不仅可以集成数据 c a c h e 和指令c a c h e ，还带有紧耦合存储器t c m ( t i g h t l yc o u p l e dm e m o r y ) 接口。紧 耦合存储器是一种紧挨着内核的快速s r a m ，它不仅能改善系统性能，而且保证 了装载和存储指令或数据的时间是确定的。紧耦合存储器可以使n i o si i 处理器既 能提高性能，又能获得可预测的实时响应。这对于实时性要求较高的复合节点有 着重要的意义。 n i o si i 处理器包含以下用户可见的功能模块，寄存器文件、算术逻辑单元 ( a r i t h m e t i cl o n cu n i t ，a l u ) 、用户逻辑接口、异常控制器、中断控制器、数据总 线和指令总线、数据c a c h e 和指令c a c h e 、j t a g 调试模块及紧耦合的数据、指令 1 3 北京交通人学硕十学位论文 存储器接口。此外n i o si i 采用a v a l o n 总线结构通信接口；包含由f i r s ts i l i c o n s o l u t i o n ( f s 2 ) 开发的基于j t a g 的片内设备( o c i ) i 为核。在把n i o s i i 植入f p g a 前， 用户可以根据设计要求，利用q u a r t u si i 和s o p cb u i l d e r ，对n i o si i 和外围设备进 行构建，使嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足系统设 计的需求。n i o s i i 在同一f p g a 中的植入数目没有限制，只要f p g a 的资源足够 即可。 表2 - 1n i o s i i 处理器内核性能表 t a b l e 2 - 1p e r f o r m a n c eo f n i o si i p r o c e s s o r 处理器内核 特性 n i o si i e n i o s i i sn i o s i i f d m i p s m h zo 15 0 7 41 1 6 性能最大d m i p s3 l1 2 72 1 8 f m a x m h z 2 0 01 6 51 8 5 流水线阶数 l56 外御：寻址空间g b 222 指令高速缓存 5 1 2 6 4 k b5 1 2 6 4 k b 总线存储流水线访问可选可选 数据高速缓存 5 1 2 - 6 4 k b 总线紧耦合存储器可选 算数逻硬件乘法器3 周期1 周期 辑单元硬件除法器可选可选 j t a g 、运行控制、 是 是是 j t a g 软件断点支持 调试模块硬件断点支持否是是 跟踪缓冲区支持否是是 异常处理 集成中断控制器 是是是 用户模式支持否，超级模式否，超级模式否，超级模式 指令定制支持 2 5 62 5 62 5 6 n i o si i 处理器有3 种类型：n i o si i e ( 经济型) 、n i o s i i s ( 标准型) 、n i o si i f ( 快 速型) 。n i o s i i e 型所占的f p g a 资源最少，但是性能最低：n i o s i i f 型性能最高， 但是所消耗的资源最多；n i o s i i s 型的性能和资源消耗介于n i o s i i e 型和n i o s i i f 型之间。表2 1 比较了3 种n i o s i i 处理器内核的功能、面积和性能【8 1 。 根据复合节点实际的应用需要，选择n i o si i f 处理器，并考虑到5 1 2 b y t e 的指 1 4 s o p c 硬件系统设计 令缓存已经足够使用，且不需要使用到d a t ac a c h e ，由于在本课题中暂不涉及定制 指令内容，所以用户定制指令选择无，n i o s i i 参数选择如表2 2 所示。 表2 - 2 n i o s 内核设置 t a b l e 2 2s e t t i n go f n i o sk e r n e l 处理器n i o s i i f i n s t r u c t i o nc a c h e 5 1 2 b y t e d a t ac a c h e 无 j t a g 调试模块 支持软件断点( l e v e l1 ) 定制指令无 2 4 2a v a l o n 总线 a v a l o n 总线是a l t e r a 公司提出的一种总线结构，设计它的目的是为了能够简 单可靠地将处理器和外围设备连接起来构成一个s o p c 系统。a v a l o n 和n i o s 是在 同一块芯片内，n i o s 必须使用a v a l o n 总线同外围设备相连【9 】。 a v a l o n 总线结构与传统总线结构相比有显著的特点。在传统总线结构中，单 个总线仲裁器控制总线主机和从机的通信，每个总线主机发起总线控制的请求， 由总线总裁器对某个主机授权接入总线。如果多个主机试图同时接入总线，总线 仲裁器会根据一套固定的仲裁规则，分配总线资源给某个主机。由于每次只有一 个主机能够接入总线，使用总线资源，因此会导致带宽瓶颈。 a v a l o n 交换结构( s w i t c hf a b r i c ) 是系统的主干，是s o p c 设计中外设之间通信 的主要信道。它能实现多路数据的同时处理。此外，它的同时多主机体系结构提 高了系统带宽，消除了带宽瓶颈。采用a v a l o n 交换结构，每个总线主机具有自己 的专有互联，总线主机只需抢占共享从机，而不是总线本身。a v a l o n 交换结构支 持多种系统体系结构，如单主机多主机系统，可实现数据在外设与性能最佳数据 通道之间的无缝传输。a v a l o n 交换结构同样支持用户设计的片外处理器和外设。 a v a l o n 交换结构由各种控制、数据和地址信号以及仲裁逻辑组成，将构成系 统模块的各外设连接起来。它是一种可配置的总线结构，随着用户不同互联需求 而改变。它由s o p cb u i l d e r 自动生