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1、精选优质文档-倾情为你奉上1软件总体架构图软件结构如图1.1所示：图1.1 FPGA数据采集软件架构图 以上是系统的软件结构框图，我们下面将就具体每一个步骤的设计进行一个简要的描述：2 MicroBlaze IP核设计IP字面意思是知识产权，在微电子领域，具有知识产权的功能模块成为IP Core或IP核。IP可以用来生成ASIC和PLD逻辑功能块，又称为虚拟器件VC。IP核可以有很多种，比如UART 、CPU、以太网控制器、PCI接口等。根据IP核描述的所在集成电路的设计层次，IP可以分为硬IP、软IP、固IP。硬IP的芯片中物理掩膜布局已经得到证明，所有的验证和仿真工作都已经完成，用它可以直
2、接生产硅片，系统设计者不能再对它进行修改。而软IP是以行为级和RTL级的Verilog 或VHDL代码的形式存在，它要经过逻辑综合和版图综合才能最终实现在硅片上。固IP则介于两者之间。Xilinx 公司的MicroBlaze32位软处理器核是支持CoreConnect总线的标准外设集合。MicroBlaze处理器运行在150MHz时钟下，可提供125 D-MIPS 的性能，非常适合设计针对网络、电信、数据通信和消费市场的复杂嵌入式系统。1MicroBlaze 的体系结构MicroBlaze是基于Xilinx公司FPGA的微处理器IP核，和其它外设IP核一起，可以完成可编程系统芯片(SOPC)的
3、设计。MicroBlaze处理器采用RISC架构和哈佛结构的32位指令和数据总线， 可以全速执行存储在片上存储器和外部存储器中的程序， 并访问其中的数据， 如图4.1所示图2.1 MicroBlaze 内核结构框图(1)内部结构MicroBlaze 内部有32个32位通用寄存器和2个32位特殊寄存器 PC指针和MSR状态标志寄存器。为了提高性能，MicroBlaze还具有指令和数据缓存。所有的指令字长都是32位，有3个操作数和2 种寻址模式。指令按功能划分有逻辑运算、算术运算、分支、存储器读/写和特殊指令等。指令执行的流水线是并行流水线， 它分为3级流水：取指、译码和执行，如图4.2所示。图2
4、.2 MicroBlaze 的流水线(2)存储结构MicroBlaze是一种大端存储系统处理器，使用如图4.3所式的格式来访问存储器。图2.3 大端数据格式(3)中断控制和调试接口MicroBlaze 可以响应软件和硬件中断，进行异常处理， 通过外加控制逻辑， 可以扩展外部中断。利用微处理器调试模块(MDM)IP核，可通过JTAG接口来调试处理器系统。多个MicroBlaze处理器可以用1个MDM来完成多处理器调试。(4)快速单一链路接口MicroBlaze处理器具有8个输入和8个输出快速单一链路接口(FSL)。FSL通道是专用于单一方向的点到点的数据流传输口。FLS和MicroBlaze的接
5、口宽度是32位。每一个FSL通道都可以发送和接收控制或数据字。2. CoreConnect 技术CoreConnect是由IBM开发的片上总线通信链，它使多个芯片核相互连接成为一个完整的新芯片成为可能。CoreConnect技术使整合变得更为容易，而且在标准产品平台设计中， 处理器、系统以及外围的核可以重复使用， 以达到更高的整体系统性能。Xilinx将为所有嵌入式处理器用户提供IBM CoreConnect许可，因为它是所有Xilinx 嵌入式处理器设计的基础。MicroBlaze处理器使用了与IBM PowerPC相同的总线，用作外设。虽然MicroBlaze软处理器完全独立于PowerP
6、C,但它让设计者可以选择芯片上的运行方式，包括一个嵌入式PowerPC，并共享它的外设。CoreConnect总线架构如图4.4所示。它包括片上外围总线(OPB)，处理器本机总线(PLB)，设备控制寄存器(DCR)总线以及1个总线桥和2个判优器。图2.4 CoreConnect 总线架构(1)片上外设总线(OPB)内核通过片上外设总线(OPB)来访问低速和低性能的系统资源。OPB是一种完全同步总线， 它的功能处于一个单独的总线层级。它不是直接连接到处理器内核的。OPB接口提供分离的32 位地址总线和32位数据总线。处理器内核可以借助“PLB to OPB”桥，通过OPB访问从外设。作为OPB总
7、线控制器的外设可以借助“OPB to PLB”桥，通过PLB访问存储器。(2)处理器本机总线(PLB)PLB接口为指令和数据一侧提供独立的32位地址和64位数据总线。PLB支持具有PLB总线接口的主机和从机通过PLB信号连接来进行读写数据的传输。总线架构支持多主从设备。每一个PLB主机通过独立的地址总线、读数据总线和写数据总线与PLB连接。PLB从机通过共享但分离的地址总线、读数据总线和写数据总线与PLB连接， 对于每一个数据总线都有一个复杂的传输控制和状态信号。为了允许主机通过竞争来获得总线的所有权， 有一个中央判决机构来授权对PLB的访问。(3)设备控制寄存器总线(DCR)设备控制寄存器总
8、线(DCR)是为在CPU通用寄存器(GPRs)和DCR的从逻辑设备控制寄存器(DCRs)之间传输数据而设计的。3.MicroBlaze 的开发应用EDK(嵌入式开发套件)可以进行MicroBlaze IP核的开发。工具包中集成了硬件平台产生器、软件平台产生器、仿真模型生成器、软件编译器和软件调试工具等。EDK中提供一个集成开发环境XPS(Xilinx Platform Studio),以便使用系统提供的所有工具，完成嵌入式系统开发的整个流程。EDK中还带有一些外设接口的IP核，如LMB、OPB总线接口、外部存储控制器、SDRAM 控制器、UART、中断控制器、定时器等。利用这些资源，可以构建一
9、个较为完善的嵌入式微处理器系统。在FPGA上设计的嵌入式系统层次结构为5级，可在最低层硬件资源上开发IP核，或利用已开发的IP核搭建嵌入式系统，这是硬件开发部分；开发IP核的设备驱动、应用接口(API)和应用层(算法)，属软件开发内容。利用MicroBlaze构建基本的嵌入式系统如图4.5所示。通过标准总线接口LMB总线和OPB总线的IP核，MicroBlaze就可以和各种外设IP核相连。图2.5 MicroBlaze系统架构图EDK中提供的IP核均有相应的设备驱动和应用接口，使用者只需利用相应的函数库， 就可以编写自己的应用软件和算法程序。对于用户自己开发的IP 核，需要自己编写相应的驱动和
10、接口函数。软件设计流程如图4.6所示。图2.6 软件开发流程3 移植uclinux首先不管什么平台，移植uclinux，整个流程都遵从于:Kernel preparation isntall BSP Build hardware platform Memory test Build kernel image Download 具体来说，如下图4.7所示：图3.1 uclinux移植流程1.搭建开发环境操作系统：Redhat Hat Linux 9，安装的时候添加开发和编译环境。（编译内核）Windows（安装EDK）交叉编译工具：针对不同的CPU系列，有不同的编译环境，通常，程序是在一台计算机
11、上编译，然后再分布到将要使用的其他计算机上。当主机系统（运行编译器的系统）和目标系统（产生的程序将在其上运行的系统）不兼容时，该过程就叫做交叉编译。建立一个交叉编译工具链是一个相当复杂的过程，网上有一些编译好的可用的交叉编译工具链可以下载。下载并安装好，我们的编译环境就搭建好了。(1) 下载并创建BSP从petalogix站点下载BSP，并安装到电脑上。把在EDK下生成的包含硬件系统信息的“auto-config.in”文件复制到linux的/home/devel/srcuClinux-2.4.xarchmicroblazeplatformuclinux-auto路径下。编译器需要从auto-
12、config.in文件里知道“the address map and the processor system”以及其它相关信息。(2) 配置内核在网站上下载源代码包，并安装在系统的任意目录。此时，就可以使用命令来进行内核的配置了： $cd/uClinux-dist $make menuconfig这里，我们需要进行一系列内核配置的选择。(3) 编译内核生成image文件 $cd /uClinux-dist $ make dep $ make clean $ make这个过程期间将完成下面的内容：编译内核 （Build kernel） 编译uclinux的C库 （C libraries ）编译
13、用户程序 （user applications）转换成二进制文件 编译内核文件系统 合并内核和文件系统为一个二进制文件 编译成功，你就会在uClinux-dist的目录下发现一个新的目录images。里面就包含了你编译成功的系统文件，image.elf和image.bin两个文件。(4) 下载内核文件到目标板将在上面编译生成的内核文件image.bin下载到目标板上去并运行.4.1 移植工业以太网协议由于Spartan-3E只提供了物理层（PHY）的网络控制器，所以对于处理本装置的物理层以上的网络设备，需要重新制定适合本系统的网络协议。工业以太网EtherNet/IP，是一种适用于工业环境的通
14、讯体系，能够在广阔的区域中支持大量现场设备的连接。它采用通用工业协议（CIP）作为其应用层协议。CIP协议支持各种控制、配置和信息处理服务，包括显式报文（用于信息传输，灵活的报文交换）以及隐式报文（用于控制和实时I/O数据的传输），支持轮询、周期和状态改变数据传输触发机制，点对点单播和广播数据传输方式3。OE服务的设计简化了EtherNet/IP的移植，只需要修改操作环境文件来适合FPGA操作体系。4.2 移植BOA从www.boa.org下载一个主流版本的BOA源码包，本系统用的是boa-0.94.13.tar.gz。第一步：修改Makefile文件，编译BOA源码，生成BOA可执行文件。修
15、改Makefile文件，因为我们要编译的是二进制代码，所以必须修改Makefile中的CC和CPP， 然后运行make进行编译，得到可执行程序BOA。第二步：配置BOA。BOA启动时将加载一个配置文件boa.conf，在boa程序运行前，必须首先编辑该文件。在Boa源码目录下已有一个示例boa.conf，可以在其基础上修改。配置好的主要内容如下：User nobodyGroup 0ServerName XilinxFPGAErrorLog /var/log/boa/error_logAccessLog /var/log/boa/access_logDocumentRoot /var/wwwMi
16、meTypes /etc/mime.typesScriptAlias /cgi-bin/ /var/www/cgi-bin/据此配置，需要创建日志文件目录/var/log/boa，HTML文档的主目录/var/www，将静态网页存入该目录下，CGI脚本所在目录/var/www/cgi-bin，将cgi的脚本存放在该目录下。4.3 CGI网关接口程序CGI（通用网关接口）提供Web服务器一个执行外部程序的通道，这种服务端技术建立了Web浏览器与Web服务器之间的交互。首先，浏览器将远程客户端发送的请求送到Web服务器，Web服务器将数据使用STDIN送给CGI程序，执行CGI程序后获得缓冲区中的
17、设备信息，最后，使用STDOUT输出包含工业设备信息的HTML形式的结构文件，经Web服务器送回浏览器，显示给远程客户端。CGI程序可以用C语言编写，并且能够嵌入HTML脚本。经过编译器编译以后，CGI程序可以使用GET、POST或直接的URL参数传递方法与远程客户端通信。以下是将采集到的设备数据显示到网页上的一段CGI程序，其中用到的数据库是SQLite。SQLite是用一个小型C库实现的一种强有力的嵌入式关系数据库管理体制，它在体积与功能之间做到了较好的平衡，是理想的嵌入式数据库。#include #include sqlite3.hmain()sqlite3* p_db;sqlite3_
18、open(mydb, &p_db);/*打开数据库*/*执行SQL语句选择alarm表中的所有记录，并在查询结果的每一行上执行回调函*/ret=sqlite3_exec(p_db, select * from alarm;, callback,0, &errmsg);sqlite3_close(p_db); /* 关闭数据库*/int callback(void *p_data, int n_columns, char *column_names, char *column_values) /*回调函数*/int i;for(i=0; i hostname MicroBlaze1 (这是给主机
19、起名字，它可以是任何合乎规则的名字，这里是MicroBlaze1)/ ifconfig lo 127.0.0.1/ ifconfig eth0 xx.xx.xx.xx netmask xx.xx.xx.xx broadcast xx.xx.xx.xx确定IP地址以及子网掩码地址，广播地址。然后，可以尝试自己ping自己（按Ctrl+C退出）：/ ping 127.0.0.1 PING 127.0.0.1 (127.0.0.1): 56 data bytes 64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=0 ttl=64 time=0.0 ms 64 bytes from
20、127.0.0.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=10.0 ms 64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=10.0 ms 64 bytes from 127.0.0.1: icmp_seq=3 ttl=64 time=10.0 ms C- 127.0.0.1 ping statistics - 5 packets transmitted, 5 packets received, 0% packet loss round-trip min/avg/max = 0.0/8.0/10.0 ms 可以试着ping局域网中另外一台
21、机器（这里ping地址192.168.0.41）/ ping 192.168.0.41 PING 192.168.0.41 (192.168.0.41): 56 data bytes 64 bytes from 192.168.0.41: icmp_seq=0 ttl=64 time=10.0 ms 64 bytes from 192.168.0.41: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.0 ms 64 bytes from 192.168.0.41: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.0 ms 64 bytes from 192.168.0.41: icmp_
22、seq=3 ttl=64 time=0.0 ms 64 bytes from 192.168.0.41: icmp_seq=4 ttl=64 time=0.0 ms C- 192.168.0.41 ping statistics - 5 packets transmitted, 5 packets received, 0% packet loss round-trip min/avg/max = 0.0/2.0/10.0 ms最后，从网络中另外一台机器远程登录MicroBlaze（使用上面ifconfig命令中分配的IP地址）rootzxt$ telnet MicroBlaze1Trying
23、192.168.0.34.Connected to MicroBlaze1.Escape character is .MicroBlaze1 login: rootNo directory, logging in with HOME=/Welcomeon MicroBlaze.Sash command shell (version 1.1.1)/6 ADC数据采集当前，越来越多的通信系统工作在很宽的频带上，对于保密和抗干扰有很高要求的某些无线通信更是如此，随着信号处理器件的处理速度越来越快，数据采样的速率也变得越来越高，在某些电子信息领域，要求处理的频带要尽可能的宽、动态范围要尽可能的大，以便
24、得到更宽的频率搜索范围，获取更多的信息量。因此，通信系统对信号处理前端的A/D采样电路提出了更高的要求，即希望A/D转换速度快而采样精度高，以便满足系统处理的要求。可编程门阵列FPGA的出现已经显著改变了数字系统的设计方式。应用可编程门阵列FPGA，可使数字系统设计具有高度的灵活性，因此FPGA的应用越来越广泛，Spartan-3E FPGA系列，是赛灵思公司推出的采用先进90nm制造工艺技术生产的系列产品，其自带的双通道AD数模转换控制器，可以方便的实现数据的采集，配上LTC69121的双通道放大器，可以使得收集数据的精确性达到mV级。1高速采集系统介绍数据采集系统原理框图如图1所示，输入的
25、中频信号经A/D采样电路采样后，通过信号放大器，将收集到的信号，调整成为最佳的检测信号，即1.65V1.25V输送到模拟转换器中，模拟信号转换器将收集的模拟信号，转换成为14-bit的数字信号。其中，FPGA的作用是提供始终频率，并且控制放大和转换器的相互协调工作。图6.1 数据采集系统原理图2AMP SPI 控制器(1) LTC6912-1放大器的接口图6.2 LTC6912-1工作原理图当AMP-CS输入是低电平的时候，LTC6912-1放大器开始工作。在放大器的内部， 有八个转换登记器( shift register)，它们将产生一个增益的倍速信号，这样就可以按要求放大信号。当AMP工作
26、开始时，它会发送一个增益的倍速给FPGA，这个信号对于大多数应用来说是可以忽略的。当AMP-CS重新回到高电平时，信号增益工作完成。图6.3 LTC6912-1 内置转换登记器工作图放大器内部的八个转换登记器，会为A Gain和B Gain 产生两组编码，它们代表的意思如下：其中，产生的Gain 是增益的倍速，它的可能取值就只有7种情况。Gain值的大小决定于输入电压的大小，不同的Gain值所能适应的电压福特数是不一样的，但整个来说，输入电压的范围是0.41.6625V图6.4 放大器转换编码值表放大器的完整时序图如下：图6.5放大器时序工作图(2) LTC1407-1 AD转换控制器图6.6 LTC1407-1A 工作原理图一个典型的信息传输需要34个循环来实现，其中，有六个循环是来分个不同通道接受的书局，在这六个周期里，因为高阻抗而产生不了信号。信号会从最晚一个信息位开始，因为它是最有价值的信息，一共转换14位。转换的数据是在下一个脉冲开始后才呈现出来的。图6.7 LTC1407-1A AD转换工作示例完整的时序图如下：图6.8 LTC1407-1A完整的时序图如果要用于AD转换和通信的话，SCK的频率不应大于 1.5MHz。专心-专注-专业