（轮机工程专业论文）sopc技术在柴油机在线状态监测和故障诊断装置中的应用研究.pdf

武汉理i ：火学硕十学位论文 摘要 柴油机作为核心动力设备广泛应用于工业、农业、军事、建筑、交通运输等 各个行业，保证其处于良好的运行状态，对确保安全生产、降低运行成本、节 约能源、保护环境等方面具有重要意义。因此，在柴油机的同常运行过程中， 迫切需要柴油机在线监测与故障诊断装置对其监测，指导维修人员开展高效的 检修工作。 本文对现有的柴油机状态监测装置进行了分析，提出了基于可编程片上系统 ( s o p c ) 技术的柴油机在线监测与故障诊断装置的方案。s o p c 是近几年兴起的一 种用于嵌入式系统开发的片上系统可编程技术，此技术在现场可编程门阵列 ( f p g a ) 中实现微处理器及其他外设，使得它不仅拥有微处理器系统丰富的软硬 件资源，还具备f p g a 系统的可编程硬件逻辑资源，被很多人认为是未来嵌入式 系统发展的方向。本文对s o p c 技术在柴油机监测诊断的应用上做了一些探索。 该方案具有体积小、功耗低、可靠性高、成本低、扩展性强、软硬件可升级等 诸多优点。 论文主要完成了以下工作： ， 1 、s o p c 系统设计。根据装置的功能需求，设计了s o p c 系统的硬件方案， 构建了基于a l t e r a 公司n i o si i 处理器为核心的s o p c 系统。 2 、i p 核设计。根据模数转换器( a d o 数据接口的要求，实现了a d c 接1 2 i p 核，高效准确地实现外部触发的数据采集。根据对诊断算法运算速度的要求， 对诊断算法中常用的数字信号处理运算有限冲击响应( f l r ) 滤波器和快速傅 立叶变换( f 兀) ，采用了硬件实现，并将其模块化封装，形成可重用的i p 核。测 试结果表明，硬件加速对系统的性能提升是巨大的。 3 、软件设计。在分析了n i o si i 处理器的软件结构的基础上，开发了自定义 片上外设及片外设备的驱动；研究t 卫c o s i i 实时操作系统，编写了基于 【c o s i i 的应用程序，完成复杂的控制及通信功能。 关键词：可编程片上系统，故障诊断，现场可编程门阵列，i p 核 武汉理。 人学硕十学位论文 a bs t r a c t d i e s e l e n g i n e s a r e w i d e l yu s e d a s p o w e r s u p p l ye q u i p m e n t i n i n d u s t r y ， a g r i c u l t u r e ，m i l i t a r y ，a r c h i t e c t u r e ，t r a n s p o r t a t i o na n ds oo n t om a k es u r e d i e s e l w o r k i n gi ng o o dc o n d i t i o ni sv e r yi m p o r t a n tt oe n h a n c es y s t e m ss a f e t y ，c u td o w n c o s t ，s a v ee n e r g ya sw e l la sp r o t e c te n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，a l lo n l i n ec o n d i t i o nm o r t i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sa p p a r a t u si su r g e n t l yr e q u i r e di nd i e s e ld a i l yr u n n i n gi n o r d e rt om a i n t a i ne f f e c t i v e l yb yo p e r a t o r a f t e ra n a l y z i n gp r e s e n td i e s e lc o n d i t i o nm o n i t o ra p p a r a t u s ，ad e s i g no fo n - l i n e c o n d i t i o n m o n i t o r i n g a n df a u l t d i a g n o s i sa p p a r a t u s b a s e do n s y s t e m o n p r o g r a m m a b l ec h i p ( s o p c ) t e c h n o l o g yw a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di nt h ep a p e r s o p ci sa no n c h i pp r o g r a m m a b l et e c h n o l o g ya p p l i e di ne m b e d d e ds y s t e mw h i c hi s d e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s t h et e c h n o l o g yi m p l e m e n t sm i c r o p r o c e s s o ra n do t h e r p e r i p h e r a l si nf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) ，s t ) t h es o p cs y s t e mh a sn o t o n l yp l e n t e o u ss o f t w a r ea n dh a r d w a r er e s o u r c ei nm i c r o p r o c e s s o rs y s t e m ，b u ta l s o p r o g r a m m a b l e h a r d w a r e l o g i c r e s o u r c ei nf p g as y s t e m t h e r e f o r e ，s o p c t e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e da sa t r e n do fe m b e d d e ds y s t e m t h ep a p e rh a sd o n es o m e r e s e a r c ho nd i e s e lm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s e ss y s t e mb a s e do ns o p ct e c h n o l o g y t h e d e s i g nh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l l e rv o l u m e ，l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n ， h i g h e rr e l i a b i l i t y ，l o w e rc o s t ，s t r o n ge x p a n s i b i l i t y ，g o o ds o f t w a r e a n dh a r d w a r e u p g r a d ea b i l i t y t h ep a p e rh a sa c c o m p l i s h e dt h ef o l l o w i n gw o r k ： 1 s y s t e md e s i g no fs o p c t h ep a p e ra n a l y z e dt h er e q u i r e m e n t ，t h e nd e s i g n e d s y s t e m sh a r d w a r ea n db u i l tas o p cs y s t e mb a s e do na l t e r ac o r p o r a t i o n sn i o si i p r o c e s s o r 2 i pc o r ed e s i g n a c c o r d i n gt ot h ea n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ( a o c ) d a t a i n t e r f a c e ，t h ep a p e ri m p l e m e n t e da d ci n t e r f a c ei pc o r e ，w h i c hr e a l i z e dt h ed a t a a c q u i s i t i o nt r i g g e r e de x t e r i o r l y w i t h h i g hp r e c i s i o n a c c o r d i n gt o t h e s p e e d r e q u i r e m e n to ff i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ( f i r ) f i l t e ra n df a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f a 3 ， n 武汉理i ：人学硕 学位论文 t h ep a p e ri m p l e m e n t e df i ri pc o r ea n df f ti pc o r eb yh a r d w a r e ，t h e np a c k e dt h e m a sam o d u l e ，w h i c hc a nb er e u s e d t e s t i n gr e s u l ts h o w e dt h a th a r d w a r ea c c e l e r a t i o n c o n t r i b u t e dal o tt os y s t e m sp e r f o r m a n c e 3 s o f t w a r ed e s i g n t h ep a p e ra n a l y z e dt h en i o si is o f ts t r u c t u r e ，t h e nd e s i g n e d t h eo n c h i pp e r i p h e r a l sd r i v e ra n do f f - c h i pd e v i c e sd r i v e r b ys t u d y i n g m c o s i i r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rd e v i s e dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mb a s e do n 比c o s - i ii no r d e rt om e e t t h er e q u i r e m e n to fc o m p l e xc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o n k e y w o r d ：s y s t e m o n p r o g r a m m a b l ec h i p ( s o p c ) ，f a u l td i a g n o s e ，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 ) ，i pc o r e 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得武汉理工大学或其它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 研究生( 签名) ：左三日期：拦z ：箜 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 杠导师( 签名) 衅 日期：口孓 武汉理l ：人学硕十学位论文 1 1 选题的背景和意义 第1 章绪论 柴油机作为动力设备，其运行状态的好坏，直接影响内燃机车运行的安全 和准点。对机车柴油机进行状态监测和故障诊断，能够帮助预报故障，防止事 故发生。对于确保设备处于最佳运行状态，提高设备维修质量和效率都是是十 分必要的。其重要意义在于： ( 1 ) 防止突发事故，保证安全、准点。故障诊断的目的就是准确、及时地发 现存在的和潜在的故障。利用诊断技术可提高柴油机的运行可靠性，防止突发 性事故。 ( 2 ) 指导“视情”维修。故障诊断技术可以监测柴油机运行技术状态，进行 趋势分析，使机车的检修具有针对性，工作更科学合理，也为机车柴油机的状 态维修体系提供技术手段和科学依据。通过强化重点部位、部件的监测，大大 提高了机车检修的针对性和科学性，最大限度地减少不合理的过剩维修及过剩 维修对机车造成的损害，从而在保障安全的前提下，降低机车维修成本。 ( 3 ) 保证柴油机最佳状态运转。指导及时维护、调整调节，避免不正常状态 发展为故障，提高可靠性和使用寿命，让柴油机处于最佳运转状况之下，节约 能源。 1 2 柴油机状态监测与故障诊断的技术现状 目前的内燃机故障诊断方法主要有：振动监测法，性能参数分析法，油液 分析法，瞬时转速分析法等。 ( 1 ) 振动监测法 该法是基于柴油机在运行过程中产生的振动。柴油机在运行过程中的振动 信号是能够反映其内在受力和运动关系的极其有效的敏感参数，比如燃烧时气 缸压力的瞬变产生的冲击、柴油机的进排气阀的落座、摇臂机构的运动、活塞 连杆机构往复运动产生的固有振动、曲轴的转动时各振动源产生的振动经过各 种传递通道直接反映在有关的振动信息中。这些振动信号是有规律可循的。从 上世纪八十年代开始，振动监测法己在活塞、进排气阀、喷油器、曲轴主轴承 武汉理i ：人学硕十学位论文 和连杆轴承等零部件故障诊断，以及内燃机工作过程诊断等方面取得了较大的 进展n 1 。柴油机振动源多，传递路径复杂，系统故障既有“纵向性”，又有“横 向性”，而且，常会出现多个故障并存的现实，这样，对多故障同时进行准确的 诊断将是一个十分困难的问题。由于这些难点存在，柴油机振动诊断要作为一 种通用且能诊断复杂故障的实用方法，还有一定距离。 ( 2 ) 性能参数分析法 该法利用柴油机工作时热力参数的变化来判断其工作状态，这些参数包括 气缸压力示功图、排气温度、润滑油温度、冷却水进出口温度及尾气等。热力 参数分析法着重于对柴油机性能好坏做出判断，在这些参数中，示功图包含的 信息量最多，根据示功图可以计算指示功、压力升高率和压缩压力等，可以判 断燃烧质量的好坏与各缸功率是否平衡，所以示功图是描述柴油机动力性能的 基本手段。它综合反映了柴油机做机械功的热力转换过程。 柴油机结构和性能复杂，要全面掌握整机和零部件的工作状态，需要测量 大量参数，因此监测系统较为复杂且价格昂贵；部分性能参数传感器安装困难， 并可能造成柴油机结构损伤和影响正常工作；性能参数变动的影响因素较多， 有的甚至多达几十个，许多性能参数与柴油机整机和零部件的工作状态的关系 较为复杂，需依据大量经验、实验积累和复杂的分析推理。这些都影响了性能 参数分析法的现场实用。 ( 3 ) 油液分析法 该法主要是通过铁谱及光谱分析法分析润滑油的成分，来了解柴油机润滑 情况。由于铁谱和光谱分析各有其特点，在其监测功能上各有优势和不足。柴 油机的运动部件含有多种材料，其摩擦副会存在各种不同的磨损状态，其摩擦 产生的微粒是以不溶于油液的颗粒形式存在润滑油中，光谱分析可以确定润滑 油中磨损元素的含量，但不能了解其存在的形状，而其监测的灵敏度受磨粒本 身粒度的影响，无法判断磨粒的类型。而铁谱分析可以确定其微粒的形状、大 小和成分等重要的磨损信息，但是铁谱分析对有色会属没有与铁系磨粒相同的 灵敏度，其分辨能力不如光谱分析仪。所以人们采用铁谱分析与光谱分析相结 合的方法来取长补短，对柴油机的润滑方面的故障进行诊断。 但是，铁谱分析和光谱分析无法定位有问题的摩擦副，不能实现实时监控。 而且其仪器设备昂贵，分析过程复杂、速度慢、分析判断和识别要比较专业的 人员爿能完成。所以其应用受到一定的限制。 2 武汉理i ：人学硕十学位论文 ( 4 ) 瞬时转速分析法 柴油机运行过程中曲轴的角振动包括滚振与扭振，而瞬时转速是角振动的 速度参数，通过对瞬时转速波动信号的分析可以得到柴油机运行状态和相关故 障的丰富信息。而当某个气缸由于某种原因工作不讵常时，动力的平衡性受到 了破坏，及其运转平稳性变差，转速波动信号波形会产生严重畸变。根据变形 的程度，就可以判断各缸内工作过程的好坏。采用磁电式传感器以非接触的测 量方式获得瞬时转速信息，传感器的使用寿命长，装置安装方便，不会破坏原 有的柴油机结构，不会影响柴油机的性能，很适合“在线”状态监测和故障诊 断。 本文的机车柴油机在线状态监测与故障珍断系统以瞬时转速分析法为主， 辅以其他信息来综合判断机车柴油机的工作状态及运行状况。系统的结构如图 1 - 1 。各个监测装置( 模块) 用传感器分别监测柴油机瞬时转速、上止点位置、进 气压力温度、供油量( 供油拉杆位置) ，并采集主发电机输出电压、电流，通过实 时监测这些关键物理量，达到对柴油机各气缸状态、进气系统状态、负荷状态、 经济性指标作出定量评价的目的。这些状态参数可以通过c a n 总线共享，人机 交互模块将这些监测诊断结果以g p r s 无线通讯方式传至地面信息管理中心。 图1 - 1 机车柴油机在线状态监测与故障诊断系统 1 3s o p c 技术及应用 1 3 1s o p c 技术 上个世纪7 0 年代以来，随着半导体制造工艺和电子设计自动化( e d a ) 的飞速 发展，如今已经可以设计并制造出包含几亿个晶体管的超大规模集成电路，集 成在单个芯片上的功能在不断增加。从而使得以往由许多芯片组成的电子系统 集成在一个单片硅片成为可能，构成所谓的片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。 1 9 9 4 年m o t o r o l a 发布的f l e x c o r e 系统( 用来制作基于6 8 0 0 0 和p o w e r p c 的定制微处 3 武汉理l ：人学硕十学位论文 理器) 和1 9 9 5 年l s i l o g i c 公司为s o n y 公司设计的s o c ，可能是基于i p 核 ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ，己经经过验证的电路模块，由于涉及到知识产权，故 称为i p 核) 完成s o c 设计的最早报剧2 1 。 s o c 的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用范围广，很难给出准确定义。 一般说来，s o c 称为片上系统，也有称系统级芯片，意指它是在单片上集成许多 功能模块和微处理器核心的单芯片电路系统，包含了完整的系统并有嵌入式软 件的全部内容。 s o c 的设计以i p 核为基础，以分层次的硬件描述语言为系统功能和结构的主 要描述手段，借助于以计算机为平台的e d a x _ 具进行。与多个集成电路组成的 系统相比，s o c 设计能够从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片 结构、各层次电路，直至器件的设计紧密结合起来，因而可以在同样的工艺技 术条件下，实现更高的系统指标，在性能、功耗、面积、可靠性、成本上都优 于非s o c 方式的实现方案。 s o c 的设计理念是很先进，很符合同趋复杂的芯片设计的要求，但在现实中 缺乏普遍可行的解决方案。采用专用集成电路( 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 d c i r c u i t ，a s i c ) 实现s o c 芯片，设计周期长，费用高，成功率不高，且产品功能 固定，不能很好地修改，而导致s o c 设计难以为中小型的企业和研究机构承受。 但是，可编程器件的发展，为s o c 的实现提供了一种新的思路。 可编程逻辑器件是指一切可以通过软件手段更改器件内部连接结构和逻辑 单元，完成既定设计功能的数字集成电路。至上世纪8 0 年代以来，可编程器件 技术发展非常迅速。目前常用的可编程逻辑器件主要有可编程阵列逻辑通用阵 列逻辑( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c g e n e r i ca r r a yl o g i c ，p a i g a l ) 、复杂可编 程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 和现场可编程逻辑阵列 ( f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 等3 大类。其中，f p g a 可以达到比其他 两者高得多的集成度和速度。 近几年来，随着半导体工艺技术的进步，f p g a 的价格不断的降低，集成度 不断快速增加，使f p g a 的应用迅速普及。现在的逻辑容量达到了千力门级的水 平，片内存储s r a m 容量达到1 m b 以上，其中高端器件集成了丰富的d s p 单元、 高速串行l o 等资源。所以在f p g a 上实现s o c ，即可编程片上系统( s y s t e mo n p r o g r a m m a b l ec h i p ，s o p c ) 技术，结合了s o c 和f p g a 各自的优点，得到了广泛 的推广，成为了一种发展趋势1 3 】。美国a l t e r a 公司在2 0 0 0 年首次提出了s o p c 的概 4 武汉理l ：人学硕十学位论文 念，然后，其他可编程逻辑器件厂家也顺应市场的需求，推出了类似的产品和 解决方案i 训。一般来说，一个典型的s o p c 系统具备以下基本特，征1 5 l ： 1 、至少包含一个以上的嵌入式处理器i p 核； 2 、具有小容量片内高速r a m 资源； 3 、丰富的l p 核资源可供灵活选择； 4 、足够的片上可编程逻辑资源； 5 、处理器调试接口和f p g a 编程接口共用或并存； 6 、可能包含部分可编程模拟电路； 7 、单芯片、低功耗、微封装。 同s o c 设计一样，s o p c 设计面临几乎相同的技术挑战【6 ，7 8 1 ，如总线架构技术、 i p 核可复用技术、软硬件协同设计技术、验证技术、可测性设计技术、低功耗设 计技术、超深亚微米电路实现技术等，此外还要做嵌入式软件移植、开发研究 等等，是一门跨学科的新兴研究领域。 1 3 2s o p c 技术在柴油机在线状态监测和故障诊断装置中的应用特点 s o p c 技术是在单片可编程芯片上实现整个微型计算机系统，这样的系统由 于其体积小，功耗低，可以很容易的实现嵌入式应用，融合于被检测的对象之 中。柴油机在线状态检测和故障诊断装置，需要不问断地采集柴油机运转过程 中的信号，并分析处理、输出诊断结果。装置安装于柴油机机体之上，或者安 放于机车车间等离柴油机比较近的地方，这些安装着各类管道和其他装置和部 件，空f b j 都不富裕，这对诊断装置的体积提出了较高的要求，小体积的装置更 便于安装；装置的在线运行要求不问断供电，电力一般是由柴油机输出的机械 能转换而成的电能直接或问接供给，电源功率有限，低功耗的装置能够减轻系 统的负担。基于s o p c 技术的嵌入式处理系统，以其小体积、低功耗的优势能够 很好地适应在线状态监测与故障诊断装置的要求。 s o p c 系统是基于可编程芯片的，它具备硬件可编程能力和软件可编程能力。 其硬件由各个i p 核以一定的结构组织起来，形成一个微处理器系统。构成该硬件 系统的i p 核具有可复用性，可以根据需要选用合适的i p 核，而且自行开发的i p 核 也可以很方便地应用于其他s o p c 系统。这样可以建立一个比较通用的硬件平 台，只用选配不同的l p 核就可以实现不同的硬件功能，相对于传统的硬件平台功 能固定而不能改变，显然更具优势。再者，系统的软硬件升级能力，可以方便 武汉理1 人孑：硕十学何论文 的实现系统的更新与升级，新的诊断理论和思想所形成的软硬件系统可以立即 在s o p c 系统中得到验证。 1 4 论文的主要工作 本文以基于瞬时转速的柴油机故障诊断技术为指导【1 , 9 , 1 0 , 1 1 】，采用s o p c 技术 完成了图1 1 中气缸工作状念监测装置的设计。该装置的总体结构如图1 2 。上止 点传感器和转速信号传感器的信号输入到电路板上，经过调理后，转变为数字 信号进入数据处理系统。该数据处理系统构建于以a l t e r a 的s o p c 方案之上，由 s o p c 完成瞬时转速的求取、状态监测及故障诊断，并输出监测结果。 c a n 总线 三二 广 图1 2 气缸工作状态监测装置示意图 采用s o p c 方案作为气缸工作状态监测装置的数据处理中心，相对与传统的 单板机、p c 机方案 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 1 及单片机、d s p 方裂1 9 , 2 0 , 2 1 , 2 2 2 3 1 ，具有以下优势： ( 1 ) 简化了电路板级硬件设计，提高了电路板的可靠性，降低了电路板的体积 和功耗。 ( 2 ) 可根据性能要求，采用不同的软硬件配置，达到成本和性能的平衡，提供 了极大的灵活性来满足设计要求。 ( 3 ) 可以采用硬件加速计算，大大缩短计算时问。 ( 4 ) 系统具备硬件升级的能力，可以适应对外接口的变化和诊断算法的改进。 ( 5 ) 采用实时操作系统，提高系统的实时性，优化软件的性能。 ( 6 ) 由于i p 核的复用性，可以将本文的i p 核用于其他设计，节省时间和人力， 提高丌发效率。 本文研究的主要内容包括： 1 、s o p c 系统设计 6 武汉理l ：人学硕十学位论文 根掘装置的功能需求，设计s o p c 系统的硬件，构建基于a l t e r a 公司n i o si i 处 理器为核心的s o p c 系统。 2 、l p 核设计 根据对外接口和诊断算法运算速度的需要，实现s o p c 系统中未提供的i p 核， 并将其模块化封装，形成可重用的i p 核。共设计了a d c 接口、f i r 运算、f 兀运 算等三个i p 核。 3 、软件设计 设计n i o si i 处理器上运行的程序，完成复杂的控制和通信功能。该软件体系 是建立在“c o s i i 实时操作系统之上，开发的内容包括驱动程序和应用程序。 7 武汉理l ：人学硕十学位论文 第2 章s o p c 系统设计 2 。1a it e r a 公司的s o p c 方案 2 0 0 0 年美国的a l t e r a 公司第一次提出s o p c 的概念和相应的解决方案以 1 6 3 2 位的n i o s ( 2 0 0 4 年5 月升级为n i o si i ) 软处理器为核心构建s o p c 系统。随后， 其他可编程逻辑器件厂商也推出了类似的解决方案【3 1 。x i l i n x 公司推出的 p i c o b l a z e 8 为软核处理器和m i c r o b l a z e 3 2 位软核处理器，l a t t i c e 公司推出 l a t t i c e m i c 0 88 位和l a t t i c e m i c 0 3 23 2 位的软核处理器，a c t e l 推出可嵌入f p g a 中 的a r m 7 软c p u 核。另外，源码丌放组织和其他机构提供的免费软核处理器，如 8 0 5 1 软核处理器，欧洲航天局的l e o n 2 软核处理器和o p e n c o r e 的o p e n r i s c 软核 处理器。这些方案中，其中又以a l t e r a 公司的软核处理器n i o si i 的方案最为灵活， 影响最大。 a l t e r a 公司提供了含有丰富i p 核的i p 核库，其中包括n i o si i 处理器；提出了 使用方便的片上总线a v a l o n 总线，便于i p 核集成；提供了丰富的底层驱动软 件；n i o si i 处理器能够支斯c o s i i 、n u c l e u sp l u s 、t c l i n u x 、e c o s 、k r o s 等多种嵌入式操作系统；提供了功能强大的开发工具( 如s i g l l a l t a pi i 、指令仿真 器、j t a g 在线调试1 用来完成仿真、验证1 2 4 ，2 5 1 。 2 1 1nio si i 软核处理器 n i o si i 是- - 种r i s c 处理器，指令字长是3 2 位，支持2 5 6 个用户定制指令， 采用高效的6 级流水线和哈佛结构设计。表2 1 给出了其性能。 表2 1n i o si i 的性能 特性n i o sl l f ( 全功能)n i o sl i s ( 标准)n i o si i e ( 经济) 说明 针对最佳性能进行优 成本和性能均衡 针对最少逻辑1 0 用进 化行优化 流水线6 级 5 级 1 级 乘法器2 周期3 周期软件仿真 分支预测动态 静态 无 指令缓冲 5 1 2 b 6 4 k b51 2 b 一6 4 k b 无 8 武汉理i ：人学硕十学位论文 数据缓冲 5 1 2 b 一6 4 l 无无 定制指令 最人2 5 6最人2 5 6最人2 5 6 性能 1 7 1 o 7 5 o 1 6 ( d m i p s m h z ) 最人i ：作频率 1 3 5 m h z1 3 5 m h z1 5 0 m h z n i o si i 处理器的还具有如下特点： ( 1 ) 可根据需求而配置的处理器 n i o sl i 丌发人员可以选择一个或任意以下三种内核的组合：快速的内核具备 高性能，经济的内核具备低成本，标准的内核用于性能和尺寸的平衡。 ( 2 ) 多c p u 内核 开发者可以选择最快的n i o si l 内核以获得高性能，还可以通过添加多个处理 器来获得所需的系统性能。 ( 3 ) 用户定制指令 用户定制指令是一个扩展处理器指令的方法，最多可以定带1 j 2 5 6 个用户指 令。定制指令处理器还是处理复杂的算术运算和加速算法的最佳途径。在6 4 k 字 节缓冲中，执行循环冗余编码计算，用定制指令速度比软件快2 7 倍。 ( 4 ) 硬件加速 通过将专用的硬件加速器添加到f p g a 中作为c p u 的协处理器，c p u 就可以 并发处理大块的数据。在6 4 k 字节缓冲中，执行循环冗余编码计算，采用硬件加 速处理可以比软件快5 3 0 倍。 2 1 2a v a10 1 3 总线规范 a v a l o n 总线【2 7 】是a l t e r a 在推出业内第一个带c p u 内核( n i o s ) 的f p g a 时开发 的片上总线，它是一种简单的总线体系结构，主要是用来将处理器和外围设备 集成到f p g a 。s o p c 设计涉及到i p 核可移植性和设计复用性，这些i p 有自行研发 的，也有来自第三方的。要把这些不同的l p 核组成一个s o p c 系统，就需要这些 l p 核具有标准的接口，使用片上总线就是解决这一问题的有效途径。a v a l o n 总线 的设计目标是提供一个易于理解的协议，节约可编程逻辑器件的逻辑单元，易 于与片上的其他用户逻辑集成，避免复杂的时序约束和分析过程。a v a l o n 总线有 一些显著的特点： ( 1 ) 简单，易于理解。所有的外设接1 3 与a v a l o n 总线时钟同步，不需要复 9 武汉理l ：人学硕十学位论文 杂的握手应答机制，简化- j a v a l o n 总线的时序行为，便于集成高速外设；地址、 数据和控制信号使用分开的专用端口，简化了外设的设计； ( 2 ) 占用资源少，节省f p g a 片上逻辑单元： ( 3 ) 采用专用地址总线、数据总线和控制总线，无需识别地址时钟周期和数 据时钟周期； ( 4 ) 支持1 2 8 位的地址和数据通道； ( 5 ) 采用动态地址对齐技术。如果要在数据总线宽度不一致的两个外设之问 进行数掘传输，a v a l o n 总线会自动解决数据宽度不匹配的问题； ( 6 ) 特有的并发多主设备结构。a v a l o n 总线主设备和从设备的交互是采用 “从端仲裁”技术，支持多个主设备同时传输。a v a l o n 的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 交换架构，每个总线主机均有自己的专 用互联，总线主机只需抢占共享从机，而不是总线本身； ( 7 ) a v a l o n 总线规范是一种开放的标准。用户可以在未经授权的情况下使用 a v a l o n 总线接口来自定义外设。a v a l o n 总线为外设的端口与总线模块之问的数据 传输提供了互连模型。它定义了一种可配置的互连策略，允许设计者只保留支 持特定的数据传输模式所需要的信号，使设计者在不了解主端口或从端口的细 节的情况下将任意的主外设和从外设连接在一起。 a v a l o n 总线这些特性，极大的方便了片上系统的集成工作，同时也保证了系 统指令和数据存取的高效。 2 1 3s o p c 开发流程 a l t e r a 公司开发了整套工具( 包括s o p cb u i l d e r ，n i o si ii d e 和q u a r t u s l l 开发 软件) 帮助用户加速硬件和软件的开发，实现完整的基于可编程逻辑器件的s o p c 解决方案。基于n i o si i 的s o p c 系统的开发流程分为四个阶段： 第一阶段：系统分析阶段 在这个阶段要对目标系统进行功能分析，确定系统的性能指标，在此基础 上决定系统中需要采用哪些组件。 第二阶段：硬件设计阶段 这个阶段主要借助s o p cb u i l d e r 和q u a r t u si i 这两种丌发工具来完成。 此阶段的步骤如下： ( 1 ) 使用q u a r t u si i 软件对- ：m l t e r a 没有提供i p 核的系统组成部分( 用户自定义 1 0 武汉理i ：人学硕十学位论文 逻辑或用户自定义接口) 进行设计。 ( 2 ) 使用s o p cb u i l d e r 对n i o si i 处理器、片上r o m r a m 、d m a 控制器以及 处理器同外围设备的连接形式等进行定制。设计者在s o p cb u i l d e r 的界面中选取 需要的部件，然后根据需要对各个部件的参数进行设置。之后，使用s o p cb u i l d e r 进行编译，s o p cb u i l d e r 会自动生成相应的硬件描述语言代码。 ( 3 ) 使用q u a r t u si i 进行硬件整体设计。此时需要将上一步骤中生成的系统同 用户自定义逻辑连接起来形成一个整体。此外还要进行f p g a 的管脚分配等工 作。之后，就是使用q u a r t u s 对整个硬件设计文件进行编译，得到f p g a 的硬件配 置文件。 第三阶段：软件设计阶段 首先需要编写自定义设备的驱动，之后是根据需要进行操作系统的移植并 编写相应的应用代码。这部分的开发工具是n i o si d e 。 第四阶段：设计验证及修正 设计者要使用第二阶段得到的硬件配置文件以及第三阶段得到的软件代 码，在开发板上进行详细的测试。可以有以下手段来进行调试：通过j t a g 进行 硬件调试、软件指令集仿真器调试、r 1 r l 级硬件逻辑仿真器调试( 利用m o d e l s i m 进行仿真) 。 2 2s o p c 系统构建 2 2 1s o p c 系统的硬件方案 气缸工作状态监测装置的数据处理系统的硬件是以f p g a 芯片构成的s o p c 系统核心辅以必要的外围芯片( 如存储器、数据收发器等) 而构成，如图2 - 1 所示。 武汉理l ：人学硕十! z 位论文 一 e p 2 c 2 0 ( f p g a ) ，一 i 一， 一 一 州t ，窆群篓 ，一外部触发f 毒，卜一一。一，一 竺拟最i ( t d c l 转6 0 换6 仁 a 嗽u 电路一 v 。i ( 。一+ i 态桥，_ ；i | ) b u s 。一 一一 r ( 系统 r s 2 3 2 、_ 1 a x 3 2 3 2一、总线) 一 一( r s 2 3 2 收 一，h a r th ps d r a 控制器 发器) 一一一i 一一 ，一 j 一一 i 数姜筇l 芸处一_ _ ，s r ， ：i 一 理l ，核 ； - “ 。广一 - 一：i ! l i 。一1 。j i ：p g a 配胤数据 2 9 i v 0 6 3 1 ) ( 8 m i i o ri ：i 蝌i ) ( 1 6 i s i ) r a m ) c p 2 5 15dl舆、i收ca发x竺线(ca、总线挡制器) ，：1 嚣厂 图2 1 数据处理系统硬件结构 f p g a 芯片是采用a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 2 0 f 2 5 6 1 8 2 引，工作环境 温度- - 4 0 0 c 1 0 0 0 c ，内核电压1 2 v ，兼容多种i o 电平标准。逻辑单元( l e ) 1 8 7 5 2 个，锁相环( p l l ) 4 个，片内r a m2 3 9 6 1 6b i t ，i o 脚1 5 2 个。e p 2 c 2 0 f 2 5 6 1 8 的i o 管 脚与e p 2 c 8 f 2 5 6 1 8 兼容，只是e p 2 c 8 f 2 5 6 1 8 的资源较e p 2 c 2 0 f 2 5 6 1 8 少一些，当不 需要实现数字信号处理i p 核时，可以使用e p 2 c 8 f 2 5 6 1 8 芯片，降低硬件成本。 n o rf l a s h 存储f p g a 配置数据和软件代码，以及必要的参数。这里选用 a m d 公司的a m 2 9 l v 0 6 5 d u 9 0 r e i ! 四j ，8 b i t 数据宽度，8 m b 的容量。 s d r a m 是扩展的外部存储器，f p g a 片内的r a m 容量有限，一般难以满足 代码的运行需求，需要扩展。本文选用m i c r o n 公司的m t 4 8 l c 8 m 1 6 a 2 t g 7 5 i t l 3 0 j ，1 6 b i t 数据宽度，1 6 m b 的容量。 a d 转换器选用l i n e a r 公司的l t c l 6 0 6 a i i ”j ，最大采样率2 5 0 k s p s ，输入模拟 电压范围一1 0 v + 1 0 v ，转换结果采用1 6 位并行输出。 c a n 通信采用的外置c a n 控制器，通过s p i 接口与s o p c 系统连接。c a n 控 制器的选用m i c r o c h i p 公司m c p 2 5 1 5i s o l 3 2 j ，支持c a n2 0 b ，s p i 速率1 0 m b p s 。 c p l d 的基本功能是用来在上电时从f l a s h 中读取f p g a 的硬件配置数据 ( 映像) ，通过f p g a 的被动串行加载方式加载映像。这样的好处是可以在f l a s h 中保存多个映像，可以根据实际使用需要，对f p g a 力i 载不同的映像1 3 3 3 4 1 。在本 文的设计中，c p l d 的引入还可以实现以下扩展功能： ( 1 ) 实现对s o p c 系统的监测。f p g a 在正常运行时，定时给c p l d 发出特定 1 2 武汉珲i ：人学硕十学位论文 信号，当由于意外导致系统死机或功能不萨常时，c p l d 监测到f p g a 给出的信 号异常，就会对f p g a 重新配置，恢复系统功能； ( 2 ) 辅助s o p c 系统可靠地实现在线升级1 3 5 1 。通过c a n 总线，可以将f p g a 的硬件配置数据发送给n i o si i 处理器，n i o si i 处理器更新f l a s h 中的f p g a 映像 数据，并让c p l d 重新加载，这样就可以实现系统的硬件升级。从c a n 总线接收 软件映像数据写入f l a s h 的软件代码存储区域即可完成软件升级。为了防止系 统的升级过程中出现的意外( 如突然断电，通讯不畅等) 对系统造成重大影响，可 以在系统中做一个基本的硬件映像和一个基本的软件映像，它们只能通过 f l a s h 烧写软件烧写，而不能通过c a n 总线修改。这个两个基本映像可以提供 基本的通讯能力，能够接收c a n 总线的数据并更新f l a s h ； ( 3 ) 实现系统的加密。基于s r a m 技术的f p g a 不能保持自身的配置数据， 需要将其存储在外部，在上电的时候加载。于是，可以通过监澳i j f p g a 的加载数 据流，从而复制f p g a 的硬件配置。而c p l d 是非易失性的，上电即可用，不需 加