任 琳 殷 彤 劉慶山 萬 娜 王 亙

（北京無線電計量測試研究所，北京 100039）

1引言

當今電子技術(shù)和工業(yè)控制技術(shù)快速發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)已成為電子設備中的最重要的組成部分?，F(xiàn)代化電子設備市場需求日益復雜和多樣化，正朝著高速、高集成度、低功耗的系統(tǒng)集成方向發(fā)展。相應地對計算機控制系統(tǒng)的信號處理能力、數(shù)據(jù)傳輸性能和設備集成度也提出了更高的需求。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)，已經(jīng)越來越難以滿足系統(tǒng)對實時性、可擴展性等苛刻要求。

近年來集成電路制造工藝水平大幅度提高，可編程邏輯器件FPGA在邏輯單元、芯片速度等方面的性能不斷提升，同時還成功降低了器件功耗，其邏輯規(guī)模已完全能滿足電路設計者將處理器、嵌入式外設以及復雜的邏輯電路整合到一片芯片上的需求，以此構(gòu)成性能強大、接口豐富、高效靈活的片上系統(tǒng)，即SOPC（System on Programmable Chip）技術(shù)。它結(jié)合了SOC集成度高、設計成本低和FPGA設計周期短、靈活性大的優(yōu)點［1,2］。設計師可以很快的將硬件系統(tǒng)（包括處理器、存儲器、外設接口和用戶邏輯電路）與常規(guī)軟件集成在單一可編程的芯片中。FPGA器件強勁的硬件性能，搭配Vxworks嵌入式實時操作系統(tǒng)的運用，使得SOPC系統(tǒng)設計周期更短，成本更低，更易于重構(gòu)和升級維護，能充分滿足控制應用領域?qū)崟r性的要求［3］。

SOPC結(jié)合了SOC和可編程邏輯器件各自的優(yōu)點，一般具備以下基本特征［4，5］：至少包含一個嵌入式處理器內(nèi)核；具有小容量片內(nèi)高速RAM資源；豐富的IP核資源可供選擇；足夠的片上可編程邏輯資源：處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口；可能包含部分可編程模擬電路；單芯片、低功耗、微封裝。

為了滿足目前面向分布式、小型化方面的設計需求，本文提出一種基于SOPC的計算機控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)控制、信號采集及數(shù)據(jù)記錄等功能，本系統(tǒng)體積小、集成度高、通用化強、擴展性強，可靠性高。

2 計算機控制系統(tǒng)概述

計算機系統(tǒng)由計算機控制模塊和底板組成，如圖1所示。計算機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)如下功能。

1）具有信息處理的功能；

2）具有儲存程序及數(shù)據(jù)的功能；

3）具有在計算機系統(tǒng)不加電時，通過上位機進行數(shù)據(jù)提取的功能；

4）具 有 可 配 置 RS422 同 步/異 步 、1553B、FlexRay、CAN、以太網(wǎng)等通信接口，與外部設備進行相應的信息交換的功能；

5）具有可配置IO輸入輸出接口功能，可輸出相應的控制信號及檢測相應的輸入信號；

6）具有可配置AD模數(shù)轉(zhuǎn)換接口功能，可采集相應的電壓及電流信號。

計算機控制模塊由SOPC、FPGA、接口芯片、電源芯片等組成，具有豐富的外圍接口，為系統(tǒng)提供控制平臺。底板主要實現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出光電隔離、RS422通訊收發(fā)隔離、CAN通訊隔離、AD接口信號調(diào)理和信號隔離、FlexRay信號隔離濾波和終端匹配。

計算機控制系統(tǒng)具有豐富的接口，可實現(xiàn)4路RS422同步/異步通訊接口、1路1553B通訊接口、1路FlexRay接口、2路CAN通訊接口、1路RS422調(diào)試串口、120路數(shù)字量I/O接口（輸入輸出可配置）、16路AD接口、2路10M/100M自適應以太網(wǎng)接口。只需要更改底板中相應的信號隔離電路便可滿足不同的系統(tǒng)設計需求，使得系統(tǒng)集成更加快速方便，提高計算機系統(tǒng)系統(tǒng)通用性。

3 計算機控制系統(tǒng)設計

3.1 計算機控制模塊

計算機控制模塊由SOPC、FPGA、接口芯片、電源芯片等組成。原理框圖如圖2所示。

處理器選用深圳國微電子第二代32位RISC高性能嵌入式SOPC芯片SM9A025，SOPC芯片遵循ARM體系架構(gòu)，片上集成16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache；擁有與CPU同頻的256KB高速程序存儲器和64KB高速數(shù)據(jù)存儲器；采用兩條獨立的32位AHB總線分別作為控制總線和數(shù)據(jù)總線。SOPC片上集成1553B、429、UART、LVDS、SPI、I2C、CAN、GPIO等豐富的外設控制接口；擁有timer、wdt、rtc、中斷控制器、浮點加速器等系統(tǒng)資源。

計算機控制模塊以SOPC芯片為控制核心，配合外圍時鐘、復位、SDRAM、FLASH、調(diào)試網(wǎng)口和調(diào)試串口等，為整個計算機控制系統(tǒng)提供控制平臺。采用256MB SDRAM作為SOPC的大容量外擴內(nèi)存，使CPU能滿足程序運行和數(shù)據(jù)的運算處理。SOPC內(nèi)集成2MB SPI FLASH，用來存儲系統(tǒng)的Boot啟動程序、用戶程序、SOPC內(nèi)置FPGA配置程序，并使用8MB SPI FLASH外擴用戶程序空間。數(shù)據(jù)存儲器由1GB NAND FLASH芯片構(gòu)成，主要用來存儲系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)計算機系統(tǒng)掉電時能通過上位機讀取數(shù)據(jù)的功能，采用賽普拉斯的CY7C68013實現(xiàn)上位機通過USB接口訪問NAND FLASH。

使用FPGA來實現(xiàn)4路HDLC協(xié)議的同步/異步串口通訊。SOPC外擴2片ADC實現(xiàn)16通道AD采樣。SOPC內(nèi)置1路1553B協(xié)議收發(fā)器經(jīng)過1553B耦合變壓采用直接或間接耦合方式，實現(xiàn)1路1553B通訊。120路數(shù)字量IO由FPGA來實現(xiàn)，輸入輸出屬性可以通過燒寫FPGA程序調(diào)整。采用FlexRay協(xié)議芯片MFR4310通過AMI接口連接到FPGA上的方式實現(xiàn)1路FlexRay通訊接口，并預留FPGA IP核實現(xiàn)方式，后期可進行IP核開發(fā)。SOPC內(nèi)部自帶2路CAN協(xié)議處理器，底板中只需增加CAN收發(fā)器就可以實現(xiàn)2路CAN總線接口。SOPC內(nèi)部自帶UART0，再通過RS422電平轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成調(diào)試串口，主要用于調(diào)試時與上位機串口進行通訊，并進行程序升級。

3.2 主要外圍接口設計

3.2.1 數(shù)字量IO接口設計

計算機控制模塊中數(shù)字量I/O由FPGA來實現(xiàn)，通過燒寫FPGA程序可以改變IO的輸入輸出屬性，共可實現(xiàn)120路。底板中根據(jù)具體需要實現(xiàn)輸入輸出的光電隔離。I/O從上電到配置程序完成前一直處于高阻態(tài)。配置完成后，如果沒有接到任何命令，輸出IO一直保持高阻態(tài)，并在FPGA的數(shù)字量I/O輸出寄存器實現(xiàn)禁止輸出全“1”功能。

3.2.2 RS422通訊接口設計

計算機控制模塊采用外置600萬門FPGA來實現(xiàn)串口HDLC的協(xié)議，同步異步模式可配置，同時使用8片RS422收發(fā)器實現(xiàn)4路串口，底板設計有RS422隔離驅(qū)動電路，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求來選擇是否需要隔離設計。RS422通訊接口設計如圖3所示。

FPGA用于緩存RS-422通信數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO容量設置為256字節(jié)，通信速率采用115.2kbps，并可根據(jù)上層軟件設置調(diào)整波特率為38.4kbps或115.2kbps或 921.6kbps，通信誤碼率能夠?qū)崿F(xiàn)不大于10-7。

3.2.3 CAN通訊接口設計

計算機控制模塊的SOPC內(nèi)部集成2路CAN協(xié)議控制器，通過上層軟件配置成兩路冗余的CAN總線通信功能，實現(xiàn)雙總線冗余設計，能夠兼容CAN2.0B和CAN2.0A標準，傳輸速率可通過編程設置，且最高為1MBps。底板中設有CAN收發(fā)器，型號選用美國ADI公司生產(chǎn)的LTM2889，LTM2889為電流隔離型收發(fā)器，該器件支持靈活數(shù)據(jù)速率，最高支持4MBps，可通過內(nèi)部隔離電路實現(xiàn)控制器和驅(qū)動器之間的隔離，該芯片自帶ESD防護，能夠在收發(fā)器接口上承受瞬時25kV的電壓，并不會發(fā)生閉鎖或受損現(xiàn)象，達到隔離保護的目的。CAN通訊接口設計如圖4所示。

3.2.4 FlexRay通訊接口設計

FlexRay接口實現(xiàn)方案為采用NXP的FlexRay協(xié)議控制器MFR4310和收發(fā)器TJA1080來實現(xiàn)，協(xié)議控制器MFR4310通過AMI（Asynchronous Memory Interface）總線與FPGA連接，F(xiàn)PGA實現(xiàn)MFR4310與SOPC的接口轉(zhuǎn)換。

計算機控制模塊只實現(xiàn)FlexRay通訊協(xié)議部分，信號隔離、總線收發(fā)器、信號濾波、終端匹配都在底板實現(xiàn)，整體實現(xiàn)如圖5所示。

3.3 計算機控制系統(tǒng)軟件設計

計算機控制系統(tǒng)的軟件分為三部分，分別為Boot啟動軟件、VxWorks應用軟件、上位機數(shù)據(jù)導出軟件。軟件組成圖如圖6所示。Boot軟件的功能是實現(xiàn)SOPC啟動配置、初始化SOPC接口、VxWorks鏡像升級及加載、片內(nèi)FPGA代碼升級及加載。Vx-Works軟件的功能是實現(xiàn)VxWorks啟動配置、接口驅(qū)動以及USB數(shù)據(jù)導出功能，包括：SDRAM、UART、FLASH、ADC、1553B、以太網(wǎng)、CAN、FlexRay以及離散量輸入輸出IO。上位機數(shù)據(jù)導出軟件的功能是在計算機系統(tǒng)不加電的情況下，通過USB接口與上位機進行通訊，將存儲的數(shù)據(jù)導出至上位機。通用計算機控制系統(tǒng)運行VxWorks6.8系統(tǒng)，開發(fā)采用Workbench3.2集成開發(fā)環(huán)境，支持代碼編輯、編譯以及調(diào)試功能。軟件通過RS422調(diào)試串口進行升級。

4 結(jié)束語

介紹了一種基于SOPC的計算機控制系統(tǒng)的設計方法。通過以SOPC芯片為處理核心的嵌入式設計方案使整個計算機系統(tǒng)的集成度、通用性和可擴展性進一步得到提高。經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)各模塊技術(shù)指標均符合設計要求，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定。采用基于SOPC的計算機控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比具有更強大的數(shù)據(jù)處理能力、更豐富的通訊接口以及較高的靈活性。為小型化、高性能計算機控制系統(tǒng)的研制奠定了基礎。

［1］ 柏玉嫻.基于SOPC技術(shù)的嵌入式控制系統(tǒng)研究與設計［D］.南京理工大學，2012.

［2］ 孫辰.基于SOPC架構(gòu)的IP核設計研究［D］.電子科技大學，2014.

［3］ 李廣深，任德志.基于SOPC技術(shù)的運動控制器設計［J］.儀器儀表用戶，2007（4）.

［4］ 賀今朝.一種堆于FPGA的模糊控制器的研究［D］.大連理工大學，2002.

［5］ 嚴璐.SOPC技術(shù)在雷達處理系統(tǒng)中的應用［D］.南京理工大學，2009.