基于SOPC的以太網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對測控系統(tǒng)中設(shè)備分散，檢測環(huán)境惡劣的情況，設(shè)計了一種基于SOPC的以太網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采樣基于NiosⅡ軟核的SOPC架構(gòu)，以μC／OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)為軟件運行平臺，以LWIP為以太網(wǎng)通信協(xié)議，實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)采集和以太網(wǎng)傳輸及控制。整個系統(tǒng)在CycloneⅡEP2C35開發(fā)板上實現(xiàn)并通過驗證，實驗結(jié)果滿足設(shè)計要求并具有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：SOPC；以太網(wǎng)；NiosⅡ；LWIP；遠程數(shù)據(jù)采集

在工業(yè)測控系統(tǒng)中，往往存在現(xiàn)場檢測環(huán)境惡劣，設(shè)備分散，需要檢測系統(tǒng)具有遠程分布式數(shù)據(jù)采集功能，以實現(xiàn)設(shè)備的遠程檢測與監(jiān)控。嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)將以太網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)有機結(jié)合在一起，很好的滿足這種需求。Ethernet與傳統(tǒng)通訊接口相比，具有性價比高、傳輸距離遠、分布運行等特點；SOPC是基于FPGA解決方案的SOC，是MCU、DSP、FPGA的有機結(jié)合，具有體積小、功耗低、可靈活配置等優(yōu)點。利用SOPC以太網(wǎng)技術(shù)將SOPC嵌入式測量模塊接入網(wǎng)絡(luò)進行控制，使其實現(xiàn)PC機所具有的遠近程測量控制和信息發(fā)布各項功能，讓工作人員遠離現(xiàn)場，仍可以對測量設(shè)備進行控制并獲得測量數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
本系統(tǒng)采用FPGA+NiosⅡ的架構(gòu)進行設(shè)計。系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集模塊、FPGA模塊、存儲器模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先將待測量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)前端信號調(diào)理，A／D轉(zhuǎn)換寫入FPGA片上FIFO，然后FPGA讀出數(shù)據(jù)經(jīng)信號恢復、FIR數(shù)字濾波后存入RAM中，最后通過Ethernet傳輸?shù)缴衔粰C進行顯示、診斷等處理。本方案可作為單獨采集系統(tǒng)和一臺計算機組成檢測系統(tǒng)；也可加入路由器，一個采集模塊與多臺計算機相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，或者一臺計算機與多個采集模塊相連，實現(xiàn)分布式檢測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本設(shè)計采用的FPGA器件是Altera公司的Cyclone II系列EP2C35F672芯片。EP2C35內(nèi)置35個18×18的硬件乘法器，有105個M4K RAM塊，共483 840位。在FPGA基礎(chǔ)上構(gòu)建基于Nios II的SOPC系統(tǒng)，使用軟硬件協(xié)同的方法對A／D轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)絡(luò)傳輸芯片進行控制。存儲器模塊包括SRAM、SDRAM、Flash 3種類型的存儲器。一片IDT71V416S256Kx16bits的SRAM，用作FPGA的緩存使用，存放運行的程序；一片A3V64S40ETP4 Mx16 bits的SDRAM，用來存儲程序運行的中間數(shù)據(jù)；一片AMD29LV128M123R 16 MB的FLASH存儲器，用來保存固化的程序和數(shù)據(jù)。為解決速率匹配、數(shù)據(jù)緩沖等問題，利用FPGA片上RAM資源設(shè)計8 k×16 bitsFIFO，將AD采樣的數(shù)據(jù)進行緩存。