基于SoPC的狀態(tài)監(jiān)測裝置的嵌入式軟硬件協(xié)同設(shè)計

其中FFT運算和幅值相位計算采用了Xilinx的IP，為節(jié)省FPGA邏輯資源，4 096點FFT采用基-2(Radix-2)算法簡化版，突發(fā)輸入輸出模式，在速度達到的情況下盡可能的縮減面積。
在完成了信號分析IP的邏輯后，進行了仿真工作，仿真數(shù)據(jù)由Matlab模擬計算得到，通過TestBench送給分析模塊進行仿真，仿真環(huán)境為Mentor Graphics公司的ModelSim 6．3g。下面是一些具體的仿真結(jié)果以及和Matlab仿真的對比。
在Matlab中產(chǎn)生一個正弦信號，并做4 096點FFT，計算結(jié)果如圖2所示。
圖3是FFT工作的時序圖，可以看到在選擇了基-2(Radix-2)算法簡化版，突發(fā)輸入輸出模式后，4 096點FFT的計算時間為533．24 μs，較軟件算法快很多，從而使系統(tǒng)能勝任大數(shù)據(jù)量(84路16位數(shù)據(jù))高分辨率(4 096點)信號分析。

圖2和圖3是對模擬數(shù)據(jù)進行Matlab仿真和ModelSim仿真二者結(jié)果的比較，可以看到原始計算結(jié)果有一定的誤差，歸一化后完全一致，產(chǎn)生誤差的主要原因是在Matlab中的FFT是浮點數(shù)計算，而在FPGA中的FFT選擇的是定點數(shù)計算。仿真結(jié)果表明此模塊可以完成信號分析的功能，且分析結(jié)果達到較高精度。

3 裝置軟件設(shè)計
裝置的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由以下幾個部分組成：嵌入式Linux操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序(SJ90Dry．o)、數(shù)據(jù)采集控制與處理程序(SJ90IOAcc)、系統(tǒng)組態(tài)配置與監(jiān)視分析程序(SJ90Logo)、通信接口程序(SJ90Comm)、CAN網(wǎng)驅(qū)動和I2C驅(qū)動。

其中：
(1)嵌入式Linux操作系統(tǒng)：主要負責(zé)進程管理、進程間通信、內(nèi)存管理、實現(xiàn)文件系統(tǒng)、提供I／O接口及對其他資源進行管理；
(2)設(shè)備驅(qū)動程序(SJ90Dry．o)：運行于系統(tǒng)內(nèi)核空間，將緩存的存貯空間映射為字符設(shè)備，響應(yīng)設(shè)備中斷，建立采集數(shù)據(jù)交換緩沖存貯，提供用戶程序與操作系統(tǒng)的接口，完成用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)交換；
(3)數(shù)據(jù)采集控翻與處理程序(SJ90IOAcc)：主要負責(zé)建立共享內(nèi)存，管理系統(tǒng)配置信息，實時數(shù)據(jù)，提供連續(xù)、自主的在線數(shù)據(jù)采集控制、信號處理、報警檢測、歷史數(shù)據(jù)存貯和故障錄波存貯等功能，通過設(shè)備讀寫和NetLink通信接口與內(nèi)核態(tài)設(shè)備驅(qū)動程序進行數(shù)據(jù)交換；
(4)系統(tǒng)組態(tài)配置與監(jiān)視分析程序(SJ90Logo)：基于MiniGUI圖形環(huán)境，提供可視化的系統(tǒng)參數(shù)配置(含機組、傳感器、通道、測點信息配置等)功能，提供多種實時數(shù)據(jù)監(jiān)視圖表、歷史趨勢分析圖表和時頻振擺分析圖表；
(5)數(shù)據(jù)通信接口程序(SJ90Comm)：實現(xiàn)本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)提供串口和網(wǎng)絡(luò)2種方式傳送數(shù)據(jù)，支持的協(xié)議分別為MODB US_RTU和MODBUS_TCP；
(6)CAN網(wǎng)驅(qū)動和I2C驅(qū)動：運行于系統(tǒng)內(nèi)核空間，提供用戶程序與操作系統(tǒng)的接口，完成用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)交換；CAN網(wǎng)驅(qū)動獲取開關(guān)量以及慢變量信號；I2C驅(qū)動完成硬件點燈以及報警等功能。

4 結(jié)語
基于SoPC的軟硬件協(xié)同設(shè)計在圖像處理、無線通信、軍事武器等場合已經(jīng)有了較多應(yīng)用，本文則將該設(shè)計方法應(yīng)用于狀態(tài)監(jiān)測裝置中，并通過該設(shè)計方法最大限度地提升和優(yōu)化了該采集系統(tǒng)的性能。筆者認為該設(shè)計方法同樣適合于電力行業(yè)中其他一些實時性強、運算量大、功能復(fù)雜的多路采集分析裝置中，以該設(shè)計思路替代以往的CPU+DSP，CPU+FPGA等多處理器芯片的設(shè)計方法，可實現(xiàn)系統(tǒng)級優(yōu)化設(shè)計。