基于SoPC的状态监测装置的嵌入式软硬件协同设计
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2．2 信号分析IP设计
为节约CPU资源，减轻软件开发负担，本系统中信号分析采用FPGA硬件逻辑完成，信号分析IP直接从原始信号数据计算得到直流，基波以及各次谐波的幅值和相位等特征量，具有运算时间固定，速度快，不易出错，不占用CPU软件资源等优点。设计框图如图2所示。主要包括数据流控制逻辑，FFT运算IP，幅频相频计算模块，均值和峰峰值计算模块，分析结果存储缓冲RAM，PLB_EMC接口伺服逻辑。本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/148140.htm
其中FFT运算和幅值相位计算采用了Xilinx的IP，为节省FPGA逻辑资源，4 096点FFT采用基-2(Radix-2)算法简化版，突发输入输出模式，在速度达到的情况下尽可能的缩减面积。
在完成了信号分析IP的逻辑后，进行了仿真工作，仿真数据由Matlab模拟计算得到，通过TestBench送给分析模块进行仿真，仿真环境为Mentor Graphics公司的ModelSim 6．3g。下面是一些具体的仿真结果以及和Matlab仿真的对比。
在Matlab中产生一个正弦信号，并做4 096点FFT，计算结果如图2所示。
图3是FFT工作的时序图，可以看到在选择了基-2(Radix-2)算法简化版，突发输入输出模式后，4 096点FFT的计算时间为533．24 μs，较软件算法快很多，从而使系统能胜任大数据量(84路16位数据)高分辨率(4 096点)信号分析。
图2和图3是对模拟数据进行Matlab仿真和ModelSim仿真二者结果的比较，可以看到原始计算结果有一定的误差，归一化后完全一致，产生误差的主要原因是在Matlab中的FFT是浮点数计算，而在FPGA中的FFT选择的是定点数计算。仿真结果表明此模块可以完成信号分析的功能，且分析结果达到较高精度。
3 装置软件设计
装置的软件结构如图4所示，主要由以下几个部分组成：嵌入式Linux操作系统、设备驱动程序(SJ90Dry．o)、数据采集控制与处理程序(SJ90IOAcc)、系统组态配置与监视分析程序(SJ90Logo)、通信接口程序(SJ90Comm)、CAN网驱动和I2C驱动。
其中：
(1)嵌入式Linux操作系统：主要负责进程管理、进程间通信、内存管理、实现文件系统、提供I／O接口及对其他资源进行管理；
(2)设备驱动程序(SJ90Dry．o)：运行于系统内核空间，将缓存的存贮空间映射为字符设备，响应设备中断，建立采集数据交换缓冲存贮，提供用户程序与操作系统的接口，完成用户空间和内核空间的数据交换；
(3)数据采集控翻与处理程序(SJ90IOAcc)：主要负责建立共享内存，管理系统配置信息，实时数据，提供连续、自主的在线数据采集控制、信号处理、报警检测、历史数据存贮和故障录波存贮等功能，通过设备读写和NetLink通信接口与内核态设备驱动程序进行数据交换；
(4)系统组态配置与监视分析程序(SJ90Logo)：基于MiniGUI图形环境，提供可视化的系统参数配置(含机组、传感器、通道、测点信息配置等)功能，提供多种实时数据监视图表、历史趋势分析图表和时频振摆分析图表；
(5)数据通信接口程序(SJ90Comm)：实现本系统与其他系统的数据交换，系统提供串口和网络2种方式传送数据，支持的协议分别为MODB US_RTU和MODBUS_TCP；
(6)CAN网驱动和I2C驱动：运行于系统内核空间，提供用户程序与操作系统的接口，完成用户空间和内核空间的数据交换；CAN网驱动获取开关量以及慢变量信号；I2C驱动完成硬件点灯以及报警等功能。
4 结语
基于SoPC的软硬件协同设计在图像处理、无线通信、军事武器等场合已经有了较多应用，本文则将该设计方法应用于状态监测装置中，并通过该设计方法最大限度地提升和优化了该采集系统的性能。笔者认为该设计方法同样适合于电力行业中其他一些实时性强、运算量大、功能复杂的多路采集分析装置中，以该设计思路替代以往的CPU+DSP，CPU+FPGA等多处理器芯片的设计方法，可实现系统级优化设计。
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