RMS的通信结构 - 基于FPGA技术的发展提出一种可重构测控系统的设计构想

从通用性角度考虑，RMS的通信结构可以根据系统规模的需要选择不同的形式。大型测控系统可以选用专用测控总线(如GPIB、CPI、CPCI等)，以标准化、模块化插卡形式与主控计算机相连；小型系统则可以根据需要选用通用总线(如RS232、UART、USB、CAN总线)，有选择地添加可编程I／O口、ZigBee无线通信接口、TCP／IP协议、以太网接口等通信、网络扩展接口，以满足无线通信和网络测控功能扩展的需要。不论规模大小，接口类型各异，都可用IP模块的形式进行设计并配置到FPGA器件上，以满足不同应用需要。

值得注意的是，测控系统的通信结构设计不仅要包括系统总线的设计，还包括FPGA片内通信结构的设计。典型的可重构FPGA片内通信结构通常有片上总线和片上网络两种策略。片上网络结构虽能较好地体现结构参数要求，但面积花费巨大；而片上总线结构凭借灵活性高、可延展、设计开销小、带宽要求较低、时延较短等优点，成为RMS的首选。考虑到FPGA的配置需要，在通信模块、主控制器模块和FPGA器件内都应设计相应的JTAG接口，以满足数据流配置和在线测试的需要。

2．2．5 软件重构

软件重构是作为软硬件协同设计实现的测控系统重构的必要内容。传统的测控软件常常是针对具体的测控、对象和硬件资源设计的，从而限制了不同型号、不同厂家、不同硬件接口的测控器件的使用。为实现测控系统的软件重构，应打破传统测控软件的设计思路，采用“基于程序框架和可复用构件”的软件复用思路”。如图2所示，将测控软件划分为测控软件平台和测控驱动程序两部分，其间通过软件平台提供的软件接口来实现动态链接。测控软件平台主要实现主控计算机功能的控制，以及主控计算机与测控系统的驱动程序之间的数据通信。

 

 

测控终端应用软件的可重构、可识别包含两个方面：其一，测控软件平台的可重构，即不同测控应用的软件平台能够识别相同的控制指令，准确完成主控计算机分配的测控任务；其二，测控驱动程序的可重构，即各种不同类型的测量、控制应用的驱动程序可以动态链接到软件平台上，实现“热拔插”。

测控软件的重构平台有多种选择：可以是专用的基于图形化GUI的虚拟仪器软件，如Labview(通过CLF节点实现与仪器驱动程序的接口，仪器驱动程序以动态链接库的形式给出，将与仪器有关的I／0操作都封装成函数，并通过访问USB或其他接口驱动实现数据的输入、输出)；也可以采用通用的可视化软件编程环境，如VB、VC等。对于小型、较简单的测控系统，推荐选用图形化、高效的Labview。

3 基于CPCI总线的RMS的实现

下面给出的实例是应用于雷达信号实时侦测的基于CPCI总线的RMS。传统的雷达侦测，由于信号特征和处理方式不同，需要研制多种独立的侦测卡(如脉冲雷达侦测卡、连续波雷达侦测卡、敌我识别信号侦测卡等十几种设备)及对应测控软件。采用通用的硬件平台，由1个CPCI工业控制计算机和2块CPCI可重构硬件电路板卡构成，根据不同种类的雷达信号分别进行FPGA和DSP的设计，并将配置文件存储在计算机中。实际工作时，针对不同的雷达信号，通过应用软件选择对应的软硬件配置文件进行动态可重构，达到了小型化、通用化和软硬件可重构化的效果，研发成本节约近70％，并缩短50％的开发周期。图3为该系统的硬件框图。

图3中，核心器件——可重构主控制器EP2$30是通过可重构FPGA和DSP器件来连接信号采集与控制处理输出部分，实现测控功能的控制中心通过CPCI总线与主控计算机进行数据交换的通道。基于SOPC的设计思想．使用Altera公司的NiosII处理器IP软核及外围逻辑编程实现主控制器功能。主控制器与CPCI控制器通过PCI局部总线交换指令和数据，通过自定义总线和DSP总线与FPGA和DSP交换采集和输出数据。在系统重构模式下，主控制器通过CPCI控制器接收主机的重构指令和数据，对FPGA的配置存储器和DSP的程序存储器进行在线编程；同时也可以直接对FPGA进行在线并行加载，完成系统的硬件重构。在系统正常工作模式下，主控制器把从采集部分获得的实时数据通过CPCI总线传输给主控计算机，或送往DSP进行数据处理并控制输出。

 

 

对于数据采集模块和控制输出模块，“可重构”的含义是指其模块组成可以根据测控需要进行裁剪，例如可选用PAD模块、基于FPGA实现的电动机转速控制模块、步进电机控制模块等。

结 语

本文根据测控系统的通用结构模型和FPGA的可重构功能特点，提出了一种基于FPGA器件，针对嵌入式应用有效缩短开发周期和设计与应用成本，满足并行性、多任务、开放化和集成化要求的RMS的平台式设计思想，实现了测控系统“只能由厂家定义、设计，用户只能使用”模式和“单任务”模式的突破。RMS技术在工业现场控制、城市市政管理、智能楼宇监控、智能家居等领域应用前景广阔，在远程重构和网络测控方面亦有研究价值。