姚成乾 永城職業(yè)學(xué)院

論如何應(yīng)用FPGA實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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FPGA是一種集成度高、靈活性強(qiáng)、可反復(fù)擦寫(xiě)的半定制電路，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列，相較于ASIC而言，其可實(shí)現(xiàn)的功能更為豐富，能夠有效彌補(bǔ)定制電路中存在的某些不足，完成時(shí)序和組合邏輯復(fù)雜的功能和人物。應(yīng)用FPGA構(gòu)建傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅可以滿足系統(tǒng)的大容量傳輸與處理需求，還能夠依照系統(tǒng)需求進(jìn)行在線編程，實(shí)現(xiàn)功能的定制化。

FPGA 傳感器 數(shù)據(jù)采集 功能結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)流程

1 FPGA設(shè)計(jì)流程

使用FPGA作為核心進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要遵循自頂向下和模塊化的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，即首先按照系統(tǒng)特點(diǎn)將大的系統(tǒng)劃分為多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的基本單元，然后再對(duì)這些基本單元再進(jìn)行細(xì)分，直到最后的層級(jí)達(dá)到EDA元件庫(kù)能夠?qū)⑵鋵?shí)現(xiàn)為止。

FPGA的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程主要包括電路的仿真設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證與行為仿真，電路圖布線及功能仿真、具體器件編程調(diào)試與功能驗(yàn)證等。其中電路設(shè)計(jì)是依照所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行功能規(guī)劃和接口定義；設(shè)計(jì)驗(yàn)證是一種非底層的理想化狀態(tài)邏輯驗(yàn)證；行為仿真是將高級(jí)描述轉(zhuǎn)化為低級(jí)描述，綜合考慮各元器件之間的延時(shí)對(duì)功能電路進(jìn)行仿真；電路圖布線及功能仿真是依照設(shè)計(jì)方案對(duì)FPGA芯片進(jìn)行配置然后構(gòu)建實(shí)際邏輯連線系統(tǒng)，查看電路是否正確穩(wěn)定；具體器件編程調(diào)試與功能驗(yàn)證是整個(gè)流程的最后一步，用于下載可執(zhí)行變成數(shù)據(jù)到FPGA中對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證。

2 FPGA傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸，系統(tǒng)應(yīng)該包括上位機(jī)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集模塊等三部分，其中上位機(jī)以FPGA為核心搭建控制模塊，主要負(fù)責(zé)控制指令的下發(fā)以及數(shù)據(jù)顯示與處理；下位機(jī)以FPGA為核心搭建采集模塊，主要負(fù)責(zé)具體的數(shù)據(jù)采集任務(wù)并將采集到的信息通過(guò)數(shù)據(jù)接口發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)可設(shè)計(jì)為局域網(wǎng)也可以設(shè)計(jì)為公共網(wǎng)絡(luò)，既可以通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信也可以直接使用數(shù)據(jù)傳輸線進(jìn)行有線通信，只需要依照所選用的網(wǎng)絡(luò)制定好相應(yīng)的協(xié)議即可。

3 分層實(shí)施傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)高速率高安全性的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)可采用分層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：在數(shù)據(jù)采集部分，在保證采集數(shù)據(jù)可靠性的前提下為簡(jiǎn)化系統(tǒng)難度可以使用分支采集與整體整合的設(shè)計(jì)思路；在數(shù)據(jù)安全控制部分，在保證系統(tǒng)安全性的前提下為增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免局部故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響可以采用分支緊急制動(dòng)與全局緊急制動(dòng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路。

3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制器

依照傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制器功能實(shí)現(xiàn)可以將系統(tǒng)劃分為協(xié)議封裝模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)與存儲(chǔ)隊(duì)列模塊、數(shù)據(jù)分析器、分支接收器以及與數(shù)據(jù)分析器相連接的全局緊急制動(dòng)模塊等幾部分。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，各分支傳感器分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，所采集到的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)椒种?shù)據(jù)接收器后經(jīng)協(xié)議拆裝等還原為原始數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)分析器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)排序。若系統(tǒng)運(yùn)行正常，則數(shù)據(jù)分析器將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給FIFO進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖與排序，若系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常，則與其連接的全局緊急制動(dòng)模塊啟動(dòng)，以中斷響應(yīng)或者其他方式將自身信息指令設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)與上位機(jī)進(jìn)行通信，匯報(bào)故障。FIFO模塊中的數(shù)據(jù)依照次序源源不斷的發(fā)送給協(xié)議封裝模塊，模塊依照所制定的協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)添加幀結(jié)構(gòu)標(biāo)簽、CRC校驗(yàn)位等封裝為一個(gè)完成的數(shù)據(jù)幀，然后將該數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

3.2 分支數(shù)據(jù)采集器功能及幀結(jié)構(gòu)

依照數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)，可以使用串行總線結(jié)構(gòu)對(duì)分值數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行連接，正常情況下，采集模塊中的FPGA控制核心依次向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢指令，確認(rèn)是否存在采集數(shù)據(jù)需要上傳，特殊情況下可以啟動(dòng)分支緊急制動(dòng)模塊對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。

需要說(shuō)明的是，分支數(shù)據(jù)采集器應(yīng)該使用分支協(xié)議數(shù)據(jù)幀單元對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝與標(biāo)注，以便于實(shí)現(xiàn)更好、更有效的數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換。幀結(jié)構(gòu)大致可以分為控制碼與數(shù)據(jù)域兩部分，控制碼中應(yīng)包含連續(xù)幀標(biāo)識(shí)、節(jié)點(diǎn)制動(dòng)措施啟動(dòng)標(biāo)識(shí)、新節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)標(biāo)識(shí)、節(jié)點(diǎn)類型標(biāo)識(shí)等多個(gè)內(nèi)容。

4 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

具體的FPGA傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)封裝、分支數(shù)據(jù)采集以及傳感器節(jié)點(diǎn)電路等。

在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制器設(shè)計(jì)方面可以直接調(diào)用Quartus開(kāi)發(fā)環(huán)境下的DHLC軟IP核對(duì)現(xiàn)有協(xié)議進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，而FIFO隊(duì)列的設(shè)計(jì)可以調(diào)用LPM宏模塊將其設(shè)計(jì)為雙端口隊(duì)列。為保證系統(tǒng)運(yùn)行效率可以采用多進(jìn)程設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析器，不同進(jìn)程的安全等級(jí)不同，優(yōu)先等級(jí)不同。分支數(shù)據(jù)接收機(jī)直接設(shè)計(jì)為寄存器即可滿足相應(yīng)的功能需求。但是需要注意的是，由純硬件實(shí)現(xiàn)的FPGA控制系統(tǒng)在新節(jié)點(diǎn)感知方面存在缺陷，故需要為控制系統(tǒng)分配相應(yīng)的動(dòng)態(tài)資源進(jìn)行新節(jié)點(diǎn)識(shí)別和適配。由于當(dāng)前主流的傳感器功能集成度高，故對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可直接使用FPGA測(cè)量傳感器信號(hào)線中的數(shù)據(jù)脈沖即可得到采集數(shù)據(jù)。

[1]任士彬，孟慶明.中國(guó)發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC技術(shù)的途徑[M].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2010.36.3