基于SOPC的慣導組件多模式數據采集系統研究

張志文，劉 斌

（西安工業大學電子信息工程學院，陜西 西安 710032）

0 引 言

慣導組件一般是由陀螺儀和加速度計組合而成[1]。有的慣導組件直接輸出脈沖信號，有的則是通過串行總線接口輸出數字信號。對于慣導組件的標定，一般是將其固定在三軸轉臺上，通過在不同的溫度下改變轉臺的位置和速率，由檢測系統對其輸出的脈沖信號或串口數字信號進行測量，再對測量值進行相應的數學處理，從而得到慣導組件的性能參數。由于慣導組件的參數對溫度非常敏感，所以需要在多個溫度點下對其進行標定。而每個溫度點需要保溫4h后才能進行測量，因而完成一個產品的標定一般需要3d左右。國外采集方法一般是通過PCI卡來實現數據的采集，該方法對計算機要求較高，需要計算機有較多的PCI卡槽，且不適合野外作業[1]。國內一般是通過PFGA和CY7C68013-128AC的USB來實現12路的脈沖信號采集[1]，由于該USB內置的是8位的51內核，大大降低了USB的傳輸速度。對于串口的數據采集，一般的MCU都很少能擁有4個串口，所以一般需要通過兩個MCU來完成[2]，這樣不但增加了電路的復雜性，還降低了系統的可靠性。針對這種情況，本文提出了一種基于SOPC的設計方案[3-4]，通過使用FPGA的32位的高速NIOS軟核，對脈沖信號或串口數據進行采集，再通過USB總線把采集的數據發送到PC機上。

1 設計原理

本系統使用SOPC的設計方案，通過Verilog語言對24路脈沖計數模塊進行設計，實現對24路脈沖信號的計數，再調用SOPC Builder里的4個UART核實現同時對4路串口數據的接收。并通過在SOPC中添加NIOS軟核，實現對脈沖計數模塊和串口數據接收模塊的控制，將接收到的數據通過高速USB ISP1581發送到PC機，由PC機對接收到的數據進行處理，采集系統框圖如圖1所示。

圖1 數據采集系統框圖

在圖1中，脈沖信號的計數是NIOS軟核每隔5ms向24路計數模塊發送相應的地址，獲得24路脈沖計數模塊的計數值，再通過USB總線把數據發送到PC機上。而串口數據則是通過NIOS，對UART核進行設置，確定其中斷優先級和波特率，然后通過中斷方式接收串口數據，再通過USB總線發送到PC機。

該測試系統是由下位機和上位機兩個部分構成。下位機由FPGA和USB接口電路組成，實現對脈沖信號的計數和串口數據的接收。而上位機是裝有Windows XP系統的PC機，通過VC++6.0的程序設計，對接收到的數據進行實時地處理、顯示和保存。

2 SOPC系統設計

2.1 24路脈沖計數模塊設計

本設計使用的FPGA芯片是ATMEL公司的EP2C8Q208C8N，它擁有非常豐富的邏輯單元，可以滿足設計內核的需要。而且這款芯片內部還擁有兩個鎖相環，最高頻率可達250MHz，使得數據處理速度更快。

開發平臺使用了Quartus II 9.0，相比MAXPLUS II的開發平臺，Quartus II 9.0的開發界面更加人性化，支持的芯片也更加豐富，最重要的是它增添SOPC builder，使得軟核的開發得到了應用。該系統的24路脈沖計數模塊設計是通過使用Verilog語言實現的，可以對慣導組件輸出的信號分別計數，如圖2所示。該模塊data_in[23..0]是24路慣導組件的脈沖輸入，add_in[4..0]是每個脈沖輸入通道的地址，data_out[15..0]是計數單元的計數值輸出。

2.2 4路串口數據接收電路設計

串口數據接收電路的設計，是通過在SOPC Builder里添加UART軟核實現的。在SOPC Builder里有很多的軟核可以調用，由于該設計需要4個串口同時對4個慣導組件輸出的4路串口數據進行接收，而一般的處理器很少擁有4個串口。雖然有很多串口擴展芯片可以對串口進行擴展，但需要在外部對電路進行擴展，不利于系統的可靠和穩定工作，而且提高了系統的成本。SOPC Builder可以很好地解決這個問題，它是在FPGA內部完成串口的設計，只需要調用軟核就可以完成4個串口的拓展。電平轉電路使用MAX490，其作用是把422電平轉換為UART的TTL電平。為解決4路串口數據同時接收的問題，本系統對4個串口的中斷優先級進行了設置，串口1的中斷優先級最高，并依次降低。UART通過中斷方式對字節進行接收。當接收到完整的一幀數據，再由NIOS對不同串口的數據添加不同的幀頭，并寫入到USB緩沖區中。待數據緩沖區存滿后，通過USB總線發送到PC機上。由于每路數據添加有不同的幀頭，所以PC機能夠識別不同串口的數據，并進行處理。

2.3 USB數據傳輸電路設計

使用飛利浦公司的ISP1581USB作為USB接口電路。它是一款價格低，功能強大的通用串行總線（USB）接口器件，符合USB2.0規范，并且兼容USB1.1規范，具有高速的USB通信能力。其內部集成了串行接口引擎（SIE）、PIE、8 kB的多結構FIFO存儲器和數據接發器。擁有7個IN端點，7個OUT端點和1個固定的控制IN/OUT端點。端點的雙緩沖配置增加了數據吞吐量，實現了實時數據的高速傳輸[5～6]。

圖2 24路脈沖計數邏輯電路圖

圖3是USB數據傳輸電路設計原理圖，由NIOS對USB芯片進行讀寫操作，完成USB的枚舉和控制。由于該設計使用的USB芯片沒有其公司提供的通用驅動，還需要對驅動程序進行開發。本設計使用VC++6.0、DDK和Driver Studio對驅動程序進行開發，與傳統使用VC++6.0和DDK對驅動進行開發相比，開發難度大大降低，減少了開發時間，提高了開發效率。

圖3 USB數據傳輸設計電路原理圖

2.4 NIOS軟核設計

NIOS軟核是本設計的核心，下位機所有的功能都是由NIOS軟核來控制的。NIOS軟核是一個32位的嵌入式微處理器，其性能超過了200DMI/s。而且支持多CPU的SOPC設計，使得設計的方法更加靈活。

本系統使用NIOS控制的模塊有24路脈沖計數模塊和4路串口數據接收模塊，以及USB數據傳輸模塊。工作時需要對各個模塊進行初始化，然后通過接收PC機發送的模式選擇命令，來接收脈沖數據或者串口數據，把接收到的數據保存到相應的緩存區里。再通過對USB進行控制，設置USB包的大小和批次，把數據發送到PC機，進行處理、保存和顯示。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要由SOPC下位機程序設計和WindowsXP環境下的上位機應用程序設計兩個部分組成。FPGA的SOPC主要作用是：系統上電后,FPGA通過SOPC里的各個軟核相互協作，把24路脈沖數據或者4路串口數據通過USB總線傳輸到上位機。上位機應用程序的設計是應用VC++6.0提供的WIN32 API函數，把下位機通過USB發送數據包傳遞到上位機。在WinsowsXP環境下利用MFC來設計程序界面，實現上位機實時對下位機傳輸的數據進行處理、保存和顯示。

3.1 SOPC的程序設計

圖4是SOPC的程序設計流程圖。首先，對所有的模塊進行初始化，包括對NIOS的I/O方向寄存器進行初始化。其次，對USB進行枚舉，如果枚舉成功，等待接收上位機的模式選擇命令，如果是串口數據模式，則對串口的波特率和中斷優先級進行初始化，然后對USB的數據包的大小進行設置。如果是脈沖數據模式，則對定時器進行設置，每5ms對計數模塊進行數據的讀取，設置USB的包大小。設置完成后，下位機就開始等待數據。如果有數據，就開始接收數據，把接收的數據進行相應的處理，并通過USB總線發送到PC機。

圖4 SOPC的程序設計流程圖

圖5 應用程序開發流程圖

圖6 24路脈沖數據測量結果

圖7 4路串口數據測量結果

3.2 應用程序設計

本設計采用VC++6.0的MFC來設計應用程序，通過MFC的編程設計用戶界面，再通過WIN32 API函數來讀取USB驅動程序里的數據[7～8]，并對所接收的數據進行實時處理，應用程序的開發流程如圖5所示。首先，對所有的函數類進行初始化，并對USB的設備進行查找，通過查找USB的GUID，來獲得需要的設備。然后，再選擇接收對應模式下的數據，等待數據的到來。當數據到來，開始讀取存儲在USB驅動里的數據包，把讀取到的數據進行處理和保存，最后，把處理好的數據進行實時的顯示。

4 實驗結果

對系統脈沖計數模式測量時，使用SP1641D信號發生器作為脈沖信號源，當信號源輸出信號為422 Hz方波信號時，測量結果如圖6所示。通過實驗驗證，本系統能夠滿足對兩個慣導組件的24路脈沖信號的無縫計數要求。由于實驗室條件所限，SP1641D信號發生器帶負載能力有限，導致系統有1個脈沖計數的偏差。對單路測試時，實驗結果沒有出現誤差。通過實驗證明，該系統的誤差率在1.0×10-7內。對系統串口數據模式測量時，使用專用的422串口數字信號發生源，測量的結果如圖7所示。由于使用了專用的信號源，沒有出現誤差，能夠準確地接收數據，通過實驗驗證，本系統也能夠滿足對4個慣導組件的4路串口數據接收的設計要求。

5 結束語

基于SOPC的慣導組件多模式測量系統，既解決了24路脈沖信號的計數，又解決了4路串口的數據接收，實現了多模式的測量需求。由于大部分的設計都是在FPGA芯片內部完成的，提高了系統的穩定性和抗干擾能力，且同時降低了系統的成本。該設計完全滿足慣導系統的標定，通過大量的實驗證明，其可以作為慣導組件的新型測量設備。

[1]張志文，趙浩.慣導組件的脈沖輸出測控系統[J].西安：西安工業大學學報，2009，29（5）：461.

[2]張志文，劉美飛，李劍.基于USB的多串口測試系統軟件設計[J].西安：西安工業大學學報，2012，5（32）：400-405.

[3]夏宇聞.Verilog數字系統設計教程[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2008：5-7.

[4]李蘭英.Nios II嵌入式軟核SOPC設計原理及應用[J].北京：北京航空航天大學出版社，2006（11）：1-20.

[5]Axelson J.USB mass storage designing and programming devices and embedded hosts[M].Lakeview Research，2006（6）：200-240.

[6]薛圓圓.USB應用開發技術大全[M].北京：人民郵電出版社，2011（1）：161-181.

[7]Microsoft Corp.Microsoft visual C++6.0 MFC library refer-ence[M].Microsoft Press，2007.

[8]孫鑫，余安萍.VC++深入詳解[M].北京：電子工業出版社，2006.