SoC FPGA在聲波測井儀器中的軟硬件協同設計

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(1.清華大學 自動化系，北京 100084；2.中海油服油田技術研究院)

引　言

聲波測井儀器作為聲波測井的主要工具，在設計時由于井下高溫、井徑限制等不利因素的存在，需要具有較低的功耗、較小的體積以及大批量數據的快速處理能力[1-2]。早期設計時由于受到電子器件的限制，儀器內部數據采集和處理電路普遍采用了DSP+FPGA的多核架構[3]，該架構雖然具有很大的靈活性和較強的數據處理能力，但缺點是高功耗、電路復雜、集成度低，并且降低了儀器整體可靠性。隨著測井溫度的不斷提高，對電路的功耗和集成度要求越來越高，采用多核架構設計的電路難以滿足要求。

隨著電子技術的發展，具有更高集成度和更低功耗的SoC(System on Chip)芯片被越來越多地應用到嵌入式系統設計中，為提高系統可靠性和降低功耗發揮了重要的作用。例如Microsemi推出的SmartFusion2系列SoC FPGA就是一種集微處理器子系統MSS(Microcontroller Subsystem)和FPGA資源(FPGA Fabric)于一體的低功耗、高集成度芯片[4]，將其用于聲波測井數據采集和處理電路設計可以極大地降低功耗和提高集成度。

采用SoC FPGA設計系統，各功能模塊既可以通過MSS包含的ARM微處理器用軟件實現，也可以通過FPGA資源用硬件實現。硬件實現的特點是運算速度快、時序控制精確，但是設計復雜、占用資源多且靈活性差；軟件實現的特點是靈活性好、不占用FPGA資源，但是數據處理效率低。因此設計中如何兼顧系統的功能和性能要求(例如低功耗、資源占有小、處理時間短等)而采用不同的軟硬件實現方法成為難點，對該設計方法的研究也被稱為軟硬件協同設計[5]。……