基于FPGA的嵌入式数据采集和通信外文翻译资料

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基于FPGA的嵌入式数据采集和通信

Venkatraman Kandadailowast; ,Moorthi Sridharan,Selvan Manickavasagam Parvathy,Raja Pitchaimuthu

摘要：实时应用中的数字控制器需要可靠的系统来获取数据以进行有效处理。本文重点介绍使用现场可编程门阵列（FPGA）设计和开发用于数据采集和通信的综合嵌入式解决方案。在所提出的解决方案中，开发了一种嵌入式平台，其不仅能够监视并获取数据，还可以提供通过网络中的以太网进行连接的设备之间的基本通信。该系统利用服务器/客户端架构的通信模式；连接到客户端的设备的控制信号由服务器控制，并且在服务器端显示设备的状态以进行在线监视。在没有个人电脑的情况下，可以通过在实验室建立的微电网原型测试它的多功能性以及工作效益。

关键词：沟通；数据采集；FPGA；微电网

1 简介

所有数字系统的核心都是采集来自外部的信号。数据采集的要求是量化电气或物理量，如电压，电流，温度，压力或声音。虽然每个数据采集系统（DAS）都是根据其应用的需求进行定义的，但所有的系统都有一个共同的目标，即获取、分析和呈现信息。DAS融合了信号、传感器、执行器和信号调理，数据采集设备和应用软件的数据采集都涉及从测量源获取模拟信号，并将信号数字化以进行存储、分析和演示控制。一般来说，传感器提供关于过程中特定方面的连续数据，例如电压，电流，温度等等，模拟形式需要转换成数字形式，并且在采集之后还需要进一步处理。因此，模拟信号通过模数转换器（ADC）转换为数字信号，所得到的数据可以通过数字总线传输到中央处理单元以供进一步分析。数字传输比传感器的模拟数据更不易受噪声影响。

现有的DAS笨重，造价昂贵且需要繁冗的设计以实现高可靠性和高速采集。因此，必须使用嵌入式处理器来减小系统规模，避免设计冗余，降低成本和功耗。现场可编程门阵列（FPGA）是嵌入式系统领域的一个创新，得益于高度的并行性，低功耗，强大的输入和输出（I/O）能力。它的计算量可以比典型的数字信号处理器（DSP）高很多，因为FPGA的硬件资源可以大大降低成本以适应特定应用的需求。

通常，DAS可以采集单通道或多通道信号，多通道A/D转换的最初用法是为每个通道使用专用ADC，或者使用具有时分复用的单个ADC。大多数ADC使用时分复用，其中通道数量较少。大多数FPGA板拥有的ADC通道数量较少，这限制了它们同时接收大量外部模拟信号的能力，因而它们在DAS中扮演控制器的角色。

此外，设备之间的通信在建立任何自动化的系统中都起着至关重要的作用。通过全球移动通信系统（GSM）进行的通信正在快速增长，由于完全依赖于服务提供商，因此很容易发生网络故障，而通过以太网的通信是一个独立的网络，并且具有高度的可靠性。市场上存在各种各样的网络协议，根据应用不同可以选择合适的协议并用来建立可靠的通信和数据传输。考虑到数据采集后通信和监测的重要性，将数据采集、监测和通信结合起来并设计一个通用平台对于任何类型的系统都具有普遍的灵活性，这显得至关重要。为此，本文提出了一种用具有较少数量ADC通道的FPGA板的方法，以接收更多数量的信号，从而扩展其在DAS中的功能。此外，还提出了一个嵌入式平台，它集成了数据采集、监控以及允许网络中FPGA板之间的通信。以太网接口已被用于FPGA板之间的一对一通信，其中一块用作服务器，另一块用作客户端，连接到客户端的设备的状态被传递到服务器上进行监视。使得可以轻松监控处于远程位置的电器。开发的平台通过Altium Nanoboard（NB3000）FPGA板进行测试，板上有四通道ADC和XILINX SPARTAN 3AN FPGA。板载FPGA芯片内部具有TSK3000A（32位软核）处理器。提出的嵌入式平台利用单个FPGA内部的硬核数字组件和软核处理器进行数据采集、监控和通信。这款FPGA和软核处理器比标准微控制器具有多项优势，例如它们灵活性高、计算速度快、上市时间短，成本适中等，最重要的是硬件具有动态重新配置功能。此外，软核处理器通过集成标准或定制接口（如以太网，图形用户界面（GUI）等）提供FPGA芯片以外的访问权限。在所提出的工作中，用超大规模集成电路（VHSIC）硬件描述语言（VHDL）编程的硬核数字组件已被用于数据采集，使用嵌入式C编程的Softcore处理器已用于监视数据和以太网通信。

2 提出的嵌入式平台

所提出的嵌入式平台的框图如图1所示。它获取数据、监视数据并对通过以太网接口在网络中连接的FPGA板之间提供一对一的通信。拟议的平台分为三部分：（A）数据采集（B）数据监视（C）以太网通信。这些将在下面讨论。

图1 提出的嵌入式平台的框图

2.1 数据采集

为了增强DAS中板载ADC通道数量较少的FPGA板的功能，已经提出了一种方案，其中模拟信号采集卡（ASAC）连接到FPGA板，从而增强板的外部模拟信号的可访问性。ASAC是模拟多路复用器与主板FPGA板的板载ADC的所有通道的集成，其中选择位的值（Y）——模拟多路复用器由FPGA内部开发的嵌入式块提供和控制。FPGA内部设计了一个计数器，通过主机FPGA板的I/O引脚为模拟多路复用器提供选择位。

提出的系统的概念设计如图2所示。其中ASAC与主FPGA板集成在一起。在该图中，2N（或更少）模拟输入信号连接到模拟多路复用器，而模拟多路复用器根据选择线的N位组合依次选择其中的一个。每个多路复用器的输出被赋予板载ADC的一个特定通道，多路复用器控制器也被嵌入到FPGA内部。

在FPGA中实现算法的通用流程图在图3中示出。例如，主机FPGA板可以考虑使用X个ADC通道，通过在每个通道中包含一个2N：1多路复用器，FPGA访问的通道数增加到2N* X。假设X₁是FPGA访问的当前通道（如果X=4，则X₁=0,1,2,3），X₁给多路复用器的选择位设置为零。这种条件下，在采集时间内，通过ADC读取第一个多路复用器中的第一输入的模拟信号，在ADC转换时间内，用于选择位的计数器递增1,从而为模拟输入提供足够的时间来稳定输出。一旦当前多路复用器的2^N个通道被FPGA读取，计数器的值就为零，然后选择下一个ADC通道（X₁=X₁ 1）。一旦X₁达到其最大值（X），它将被重置并且重复上个过程进行连续读取信号。

嵌入式平台可实现的最大采样频率取决于ADC的最大采样频率以及必须增强的通道数。例如，如果Z是ADC的最大采样频率，并且N是必须增强的通道数量，则可以实现的系统采样频率为（Z/N）。

图2 数据采集框图

2.2 监控

若想在FPGA板上显示VGA监视器信息，其硬件要求包括FPGA内部的软核处理器（TSK 3000A——32位RISC处理器），VGA控制器和SRAM控制器。TSK3000A处理器执行本地软件代码以启动FPGA板，并执行除用户编写的软件代码之外的其他软件包装器的初始化。VGA控制器提供FPGA板上硬件控制器元件和软件包装器之间的接口，以启动和初始化VGA监视器。SRAM控制器根据数据缓冲区的位置为显示操作提供内存，数据在发送到VGA监视器之前被存储。

软件代码的流程图显示在VGA显示器上，显示信息如图4所示。图形t结构（内置）初始化FPGA板上的显示驱动器，进一步激活所有硬件组件并运行所有相关的软件包装器，这些包装器用于初始化FPGA板和VGA监视器上的显示驱动器。图形t结构（内置）可帮助用户以必须在显示器中显示的方式进行初始化。一旦图形驱动程序和画布被初始化，画布就会填充所有背景颜色并设置为可见。此后，信息被传递到监视器上，根据显示位置的字符串，x和y坐标，文本颜色和样式进行显示。由于开发的显示系统是在线监控系统，因此程序针对所有必须监控的数据单独运行。只要及检测数据发生变化（例如测量参数的变化），就会在擦除现有数据后更新显示。

2.3 以太网通信

以太网是各种网络标准的通用名称。许多系统采用TCP/IP套件，因为它可以为通过互联网协议（IP）在网络上运行的设备提供可靠的、有序的和可以进行错误检查的分组流。在TCP/IP套件中，传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）负责将数据分解为小数据包，然后才能在发送端通过网络发送数据包，并在到达接收端时重新组装数据包。IP负责设备之间的通信，它负责通过互联网寻址，发送和接收数据包。

TCP/IP协议的设计使得网络中的每台计算机或设备都有一个唯一的IP地址，每个IP地址可通过多达65535个不同的端口进行通信，可以在其他任何网络设备之间发送和接收数据。IP地址唯一标识网络上的设备，端口号表示一个设备与另一个设备（即两个IP地址之间）的特定连接。TCP/IP端口可以被认为是一个专用的双向通信线路，其中端口号用于识别两个设备之间的唯一连接。

一旦为每个FPGA器件和端口号分配了IP地址以用于FPGA器件之间的通信，则可以使用客户端/服务器模型。在客户端/服务器模式下，TCP/IP客户端通过发送请求数据包来启动与TCP/IP服务器的通信。当服务器收到请求时，它会处理并作出响应。一旦在客户端和服务器之间建立了通过TCP/IP端口的连接，就可以向任一方向发送数据，并且直到客户端或服务器终止连接。客户端/服务器和TCP/IP协议的一个最大的好处是实现数据发送和接收的低级驱动程序对所有数据执行错误检查，可以保证发送或接收的数据中不会有错误。

图3 建议的数据处理算法的流程

图4 在VGA监视器上显示信息的流程图

在本方案中，TCP/IP套件已用于两个FPGA板之间的以太网通信，其中一个用作主机/服务器，另一个用作从机/客户机。该服务器通过发送切换命令来控制客户端，从而操作连接到客户端的设备。然后，客户端处理收到的命令并将其转换为开启或关闭特定设备的操作。这种类型的控制系统可以自由控制通过以太网连接的远程设备。此外，设备的状态可以显示在服务器端进行监视。

在Altium Nanoboard上实现以太网通信涉及到TSK3000A处理器的外设接口，如随机存取存储器（RAM）、以太网端口、串行外设接口（SPI）主控制器和I/O端口。TSK3000A是与Wishbone总线系统兼容的精简指令及计算（RISC）处理器。处理器和物理层设备之间的连接通过以太网系列的外围设备所提供IEEE802.3媒体独立接口（MII）而进行，多个从机SPI外设的通信由SPI主控制器控制。I/O端口模块是符合Wishbone标准的可配置并行端口单元，提供一个简单的寄存器接口，用于存储要传输到系统中其他设备的数据或从其他设备传输数据。

3 测试用例

为了测试所提出的嵌入式平台在实时应用中的功能，本节将详细地阐述在已经构建的独立的微电网模型进行试验。

3.1 微电网

微电网系统是由分布式可再生能源和负载组成的小规模电力系统。由于微电网的分布式和中央调度特性，与公用设施的连接可以被移除或最小化，从而可以提高敏感负载的电能质量。一般来说，微电网有两种操作模式：独立式（孤岛式）模式和并网模式。此外，微电网系统可以根据组件系统所连接的总线分为交流总线系统和直流总线系统。

独立微电网是由风能，太阳能，柴油发电机组（DG），储能系统等多种可再生能源整合而成。总体原理图如图5所示，其中的硬件设置如图6，其使用风能转换系统（WECS），电池组和带DC-DC转换器的光伏阵列形成直流总线。柴油发电机与逆变器的输出并联。此外，负载被分类为临界负载（CL）和非关键负载（NCL），具体取决于为卸载负载所分配的优先级。

图5 具有所提出的嵌入式平台的微电网的框图表示

图6 提出的嵌入式平台的微电网硬件设置

由于资源（源和负载）的位置在地理上分布较为广泛，因此使用了两个FPGA控制器，源FPGA控制器和负载FPGA控制器，它们通过采用TCP/IP套件的以太网接口连接。

在微电网实施和控制中，源控制器必须连接光伏阵列电压和电流（V_PV和I_PV），风力发电机电压和电流（V_W和I_W），电池电压和电流（V_B和I_B），三相交流负载电压和电流（V_LR，V_LY，V_LB和I_LR，I_LY，I_LB）以及交流柴油发电机的电压和电流。因此，必须给源控制器总共18个信号。负载和DG电压是平衡的，因此读取任何一个三相电压都可以计算功率。因此，输入到源控制器的模拟信号的数量减少到14。主FPGA板只有四个ADC通道，因此，4：1多路复用器也已添加到源控制器的板载ADC的每个通道。通过实施第2节中提出的DAS，共计16个输入线将可用，使用增强的16个输入线将需要控制和监视微电网的14个信号馈送到源FPGA。

源FPGA控制器在获取来自各种能源和负载的电压和电流信号后，进行计算产生的功率和负载功率。由于发电和需求之间的功率不平衡，源控制器决定接通/断开非关键负载，并且通过以太网接口传送给负载FPGA控制器。

负载FPGA控制器根据源控制器分配给负载的优先级给出不同的命令以控制不同的非关键负载。根据负载控制器提供的控制能力和可用功率，源控制器通过激活/关闭相关接触器来断开DG并显示电量、电源状态和负载使用，使监控系统进行可视化。已经开发了一种算法来实现上述控制器的逻辑以及开发源和负载控制的流程图7所示。

图7 源和负载控制算法的流

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