一種基于DSP+FPGA的控制系統方案設計

一、前言 ?

　　本文提到的控制系統控制通信設備的正常工作，是整個通信設備的重要組成部分。該控制系統要實現的功能為: 接收外來的信息、實時采集輸入的信號,控制設備的工作狀態、參數、頻率、電壓及完成設備的故障檢測等；要求具備大量的通信功能和復雜的管理控制功能，且具備實時性、準確性。?

　　原來普遍采用單片機加外圍器件來完成這些功能，需要大量的外部電路,增加了系統成本，也增加了系統的復雜性，系統的可靠性也會受一定的影響。?

　　本文所提出的基于DSP+FPGA的控制系統方案，利用FPGA的容量大、可編程實現很多功能，結合DSP具有高速的信息處理能力的特點,使得本控制系統非常簡潔，結構靈活，通用性強,系統也易于維護和擴展。該方案基于軟件無線電的思想，是采用通用平臺的設計。?

　　二、硬件設計?

　　系統硬件組成如圖1所示。

　　該硬件平臺由DSP、FPGA、A/D、D/A、密鑰存儲單元、實時鐘、接口電路及程序存儲器組成。各關鍵部分的主要功能為：?

　　（1）DSP：參數的處理、數據的分幀、組幀、編碼、通過中斷實時監控各種輸入信號等；?

　　（2）FPGA：總線控制、通信接口、數據采集、整形、組合邏輯生成、時鐘信號產生等；?

　　（3）密鑰存儲單元：具有EEPROM特性，掉電保護各種參數。?

　　主要器件的選型如下。?

　　（1）DSP器件?

　　所選用的TI公司的TMS320LF2407是一種低價格、高性能的DSP芯片，其控制能力強，同時具有較高的運算能力，能夠滿足系統對微處理器的要求，從而實現較強的通信功能和復雜的管理控制功能。?

（2） FPGA 器件?

　　選用XILINX公司的XCV100:?

　　（1）其資源為10萬門；?

　　（2）工作頻率最高可達200M；?

　　（3）I/O端口多，端口功能可編程自定義；?

　　（4）內核采用2.5 V供電，端口供電電壓為3.3 V，可直接與TMS320LF2407接口；　　

?????? （5）同樣封裝的FPGA,其資源可達100萬門,有利于系統的升級。 ?

　　三、軟件設計?

　　系統對軟件的設計提出了較高的要求，因此，筆者完全采用VＨＤＬ和C語言來編寫系統內部執行軟件。?

　　1?DSP的軟件設計?

　　DSP軟件設計在CCS2000的開發系統下用C語言設計， DSP軟件采用自頂向下的設計思路，按功能劃分軟件模塊，使程序組成模塊化，主要由如圖2所示的幾個模塊組成。

　　其中總線控制模塊和通信模塊是2個主要的軟件模塊。?

　　總線控制模塊的工作流程如圖3所示，通信模塊的工作流程如圖4所示。

2?FPGA的軟件設計 ?

　　FPGA在XILINX的軟件開發系統下，用VHDL語言設計，主要實現以下功能：?

　　（1） 總線控制的實現?

　　本控制統要控制大量的分離信號、大量的參數及系統的工作參數、電壓值，完成故障信息的采集、綜合和上報。要求用簡單、易控的串行同步通信總線控制方式（為RS—485總線接口）。總線控制的原理框圖如圖5所示。

　　總線按位串行，雙向同步方式傳輸信號；只由5條信號線組成：2條差分時鐘線CLK+和CLK-，2條差分數據線DATA+和DATA-，一條地線GND。發送時，數據的緩存、轉換及數據在時鐘作用下按位串行傳輸；接收時，數據的同步、緩存、轉換及接收中斷的產生，都用VHDL語言在FPGA中實現。?

　　（2）通信接口的實現?

　　本控制系統對內、對外通信接口較多：與上方系統控制命令接口、與上方系統數據接口、設備內數據接口等。這些接口采用異步串行通信方式(SCI)通信。 FPGA內異步串口設計的原理如圖6所示。

　　這里充分利用FPGA的硬件可編程性，把要擴展多個異步串口，用VHDL語言在FPGA里實現,使系統硬件平臺簡單,而且能靈活設置波特率和通信方式。?

　　（3） 狀態采集的實現?

　　有些信號是需要控制系統實時處理的，通過FPGA的采集、整形，在信號的上升和下降沿產生一定寬度的脈沖，作為DSP的中斷信號。DSP在中斷程序中實時讀取信號的狀態，控制設備工作在新的狀態。?

　　四、結束語

　　目前，DSP速度越來越快，成本越來越低，FPGA 的容量越來越大，封裝越來越小，使得DSP+FPGA 組成的系統成為解決系統設計的重要選擇方案之一。本文介紹了一種基于DSP+FPGA的控制系統設計方案，由該設計方案實現的控制系統完全達到了技術指標要求，系統工作穩定可靠。而它提供的硬件平臺對于系統的升級和功能擴展非常有利，對于控制系統來講具有較好的通用性。