FPGA的可重构测控系统应用设计

该测控系统由主控计算机和相对独立的基于FPGA器件的测控系统两大部分，通过通信接口连接而成。主控计算机主要实现人机对话功能，包括测试数据的处理、显示及仪器软面板的控制，可以利用虚拟仪器技术实现。基于FPGA器件的测控系统包括数据采集与输出控制单元、FPGA单元和DSP单元，3个单元均有可重构功能，并接受主控制器单元的控制。基本功能块是指作为计算机系统通用的不可或缺的电源、系统监控模块及存储器模块。
2．2．1 可重构数据采集与输出控制单元
该单元作为RMS的前向、后向通道与被测控对象直接相连。其中的信号调理电路可以设计成通用形式，并根据测控对象的数量、量程、模拟／数字类型、滤波参数等进行重定义和调整。例如可以采用可重构PAD器件直接与模拟测试对象相连，并由主控计算机完成设计、仿真、测试，通过主控制器单元实现重构。
2．2．2 可重构FPGA单元和可重构DSP单元
FPGA单元和DSP单元的功能可以预先根据实际测试对象的需要进行合理划分，并在主控计算机上以IP核的方式完成设计、仿真、测试和整合的全过程，最后的配置数据流文件预先存放于相应的配置存储器中(一般为SRAM或Flash存储器)。这种静态重构方式适用于对配置实时性要求不太高的一般场合，选用基于SRAM的FPGA器件和通用DSP即可。如果对配置切换的实时性要求较高，则可以选用特定的适于动态配置的FPGA器件，但成本要高昂得多。
2．2．3 可重构主控制器
主控制器单元是实现可重构功能的关键部分，它既是测控系统与主控计算机数据传递的通道，又是数据采集与输出控制单元、FPGA单元和DSP单元的控制中枢。在系统重构模式下，它接收主控计算机的重构指令和数据，对FPGA和DSP的配置存储器进行在线编程；在正常测控模式下，主控制器从FPGA和DSP获得采集和处理的数据，并送主控计算机处理。
主控制器的设计可以根据系统规模合理选择，可以采用通用MCU(如51系列单片机)、嵌入式SoC(如ARM)；也可利用FPGA器件实现，例如选用A1tera公司的Nios软处理器核基于SOPC方法进行设计。
2．2．4 通信结构
RMS通信结构的选择对系统的工作速度、实时性以及成本来说至关重要。
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。