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

摘 要：首先介紹了軟硬件協(xié)同設(shè)計方法的發(fā)展過程和狀態(tài)監(jiān)測裝置開發(fā)的背景資料，然后利用該方法設(shè)計了一款新型的高性能狀態(tài)監(jiān)測裝置，并分別從硬件和軟件2個角度對設(shè)計方法進行了深入說明。該裝置已成功集成于水電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)中，實際應用證實了它具有性能高、穩(wěn)定性好、擴展性強等優(yōu)點，同時該設(shè)計方法對于電力場合其它類似應用亦有較大的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：軟硬件協(xié)同； SoPC； 狀態(tài)監(jiān)測； Linux； FPGA； PLC

中圖分類號：TN91934 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22000103

軟硬件協(xié)同設(shè)計（Hardware/Software Codesign）是在20世紀90年代興起的跨領(lǐng)域交叉學科［1］。隨著超大規(guī)模集成電路制造工藝的進步，單個芯片所能提供的晶體管數(shù)量已經(jīng)超過了大多數(shù)電子系統(tǒng)的需求，專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）設(shè)計逐漸進入了片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）設(shè)計的時代。

片上可編程系統(tǒng)（System on a Programmable Chip，SoPC）是Altera公司提出來的一種靈活、高效的SoC解決方案。它是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先，它是系統(tǒng)芯片SoC，即單個芯片能完成系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁剪、可升級、可擴充，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能［23］。

由此可見，軟硬件協(xié)同設(shè)計是電子系統(tǒng)復雜化后的一種設(shè)計新趨勢，其中SoPC是這一趨勢的典型代表。SoPC技術(shù)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供了一種更為方便、靈活和可靠的軟硬件協(xié)同實現(xiàn)方式。本文利用基于SoPC的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法實現(xiàn)了水電機組在線監(jiān)測系統(tǒng)中的狀態(tài)監(jiān)測裝置，是軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)在電力場合的嵌入式裝置開發(fā)中的創(chuàng)新式的嘗試。

1 基于SoPC的軟硬件協(xié)同設(shè)計

1.1 設(shè)計思想

基于SoPC的軟硬件協(xié)同設(shè)計的核心是系統(tǒng)功能集成，設(shè)計思想較傳統(tǒng)方法有了根本改變，即從以功能設(shè)計為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)流程轉(zhuǎn)變到以功能組裝為基礎(chǔ)的全新流程。軟硬件協(xié)同設(shè)計在實際應用中表現(xiàn)為軟硬件協(xié)同設(shè)計平臺的開發(fā)，首先對不同的任務目標找到最恰當?shù)脑O(shè)計方案，然后進行軟硬件劃分，產(chǎn)生硬件描述、軟件描述和軟硬件邊界描述3個部分。軟硬件劃分是軟硬件協(xié)同設(shè)計的關(guān)鍵步驟，其基本任務是在滿足某些約束的條件下，將系統(tǒng)功能行為“最優(yōu)地”分配到一定的軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進行設(shè)計規(guī)劃［4］。

1.2 設(shè)計流程

軟硬件協(xié)同設(shè)計就是同時設(shè)計系統(tǒng)中的軟件和硬件部分，來滿足系統(tǒng)的性能指標。面向SoPC的軟硬件協(xié)同設(shè)計流程從目標系統(tǒng)構(gòu)思開始。對一個給定的目標系統(tǒng)，經(jīng)過構(gòu)思，完成其系統(tǒng)整體描述，然后交給軟硬件協(xié)同設(shè)計的開發(fā)集成環(huán)境，由計算機自動完成剩余的全部工作。一般而言，還要經(jīng)過模塊的行為描述、對模塊的有效性檢查、軟硬件劃分、硬件綜合、軟件編譯、軟硬件集成，軟硬件協(xié)同仿真與驗證等各個階段。軟硬件協(xié)同設(shè)計流程如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集分析是狀態(tài)監(jiān)測裝置的實現(xiàn)基礎(chǔ)和核心功能，它設(shè)計的優(yōu)劣直接影響著狀態(tài)監(jiān)測裝置的參數(shù)指標的好壞，而本文中采用的基于SoPC嵌入式軟硬件協(xié)同設(shè)計很好地實現(xiàn)了該部分的功能，本章著重介紹該部分功能的硬件設(shè)計思路。采用可編程邏輯器件（FPGA）設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有集成度高、工作頻率快、編程配置靈活、抗干擾能力強等一系列優(yōu)點。此外，還可以在FPGA芯片內(nèi)進行采集控制、緩沖、信號處理、傳輸控制、通信。本裝置中正是按照上述的軟硬件協(xié)同設(shè)計思路合理分割功能，較高性能地實現(xiàn)了在線的多路狀態(tài)監(jiān)測。

2.1 采集控制IP設(shè)計

采集控制IP主要以下幾部分：采集控制邏輯，各種寄存器，數(shù)據(jù)緩存RAM塊，時間戳計數(shù)器，PLB_EMC接口伺服邏輯。工作時鐘為10 MHz。經(jīng)后期軟件驗證，該模塊的采樣頻率最高可達12 kHz，同時可最多對84路模擬量進行采樣。

2.2 信號分析IP設(shè)計

為節(jié)約CPU資源，減輕軟件開發(fā)負擔，本系統(tǒng)中信號分析采用FPGA硬件邏輯完成，信號分析IP直接從原始信號數(shù)據(jù)計算得到直流，基波以及各次諧波的幅值和相位等特征量，具有運算時間固定，速度快，不易出錯，不占用CPU軟件資源等優(yōu)點。設(shè)計框圖如圖2所示。主要包括數(shù)據(jù)流控制邏輯，F(xiàn)FT運算IP，幅頻相頻計算模塊，均值和峰峰值計算模塊，分析結(jié)果存儲緩沖RAM，PLB_EMC接口伺服邏輯。

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（Radix2）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2 4 096 FFT歸一化結(jié)果圖3是FFT工作的時序圖，可以看到在選擇了基2（Radix2）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3 FFT分析仿真結(jié)果圖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（SJ90Drv.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［5］。

（1） 嵌入式Linux操作系統(tǒng)：主要負責進程管理、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（SJ90Drv.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)采集控制與處理程序（SJ90IOAcc）：主要負責建立共享內(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2種方式傳送數(shù)據(jù)，支持的協(xié)議分別為MODBUS_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)有了較多應用，本文則將該設(shè)計方法應用于狀態(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。

參 考 文 獻

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作者簡介： 于 海 男，1980年出生，江蘇鹽城人，博士，工程師。主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化。

姚啟桂 男，1983年出生，安徽阜陽人，碩士，工程師。主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化。

虞 躍 男，1982年出生，江蘇金壇人，碩士，工程師。主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化。

朱 浩 男，1974年出生，江蘇徐州人，碩士，高級工程師。主要研究方向為水電廠自動化、水電機組狀態(tài)監(jiān)測。2012年11月15日第35卷第22期