SOPC基礎上的數據采集系統設計

摘要：提出了一種基于SOPC技術的數據采集和存儲系統的解決方案。該系統通過在一片Xilinx公司Spartan 3E系列的FPGA芯片上配置micro-blaze軟核處理器、用戶自定義的數據采集與存儲接口邏輯、USB傳榆模塊和總線接口模塊來實現其硬件電路。該數據采集系統可同時對多種信號進行測量，有較大的存儲容量。由于采用了SOPC技術，該系統具有設計靈活、集成度高，以及較小的體積和較低的功耗等優點。

引言：隨著集成電路的不斷發展，可編程邏輯器件FPGA因其功能強大，設計靈活，開發周期短等特點，得到越來越廣泛的應用。于是片上可編程系統(System On Programmable Chip，SOPC)的設計方法也越來越受到重視。SOPC將微處理器、存儲器、定時器、通用I/O接口等系統設計必需的功能模塊以及用戶設計的有特定功能的模塊集成到一片可編程邏輯器件上，構建一個具備軟，硬件在系統可編程功能的可編程片上系統。這種非常靈活的電路設計方式使得對整個電路系統的裁減、擴充、升級變的很容易。這樣可以縮短電路設計的開發周期，節省開發成本。

1 系統總體結構

整個系統由xilinx公司的spartan3E高性能、低成本的90nm FPGA和一些外圍電路組成。主要有AD轉換器、FLASH存儲器、系統PROM配置電路和電源模塊等，其系統總體結構如圖1所示。

系統核心采用嵌入式技術，在一片芯片上實現，它包含Xilinx公司的一些標準總線IP核如中斷控制器，通用輸入輸出端口等模塊和帶有PLB總線接口的用戶自定義的數據采集與存儲IP核。其中用戶自定義的IP核是用VHDL語言設計的，它包含AD控制邏輯、FLASH控制邏輯、DMA傳輸控制邏輯和FIFO緩存模塊等。

整個系統設計可以分為硬件設計和軟件設計兩個部分。利用SOPC技術結合VHDL硬件描述語言，在芯片內部設計硬件控制系統；利用EDK(嵌入式開發套件)為特定硬件配置自動生成的軟件包結合C語言，設計基于Microblaze處理器的軟件控制程序。

2 系統結構

FPGA的硬件設計先確定要用的外部接口，然后進行IP核設計，將IP核的邏輯功能映射到FPGA芯片上。其系統結構框圖如圖2所示。

2.1 AD轉換芯片

AD轉換器采用MAXIM公司的MAXIM1308芯片，它是12位模數轉換器(ADC)提供8個獨立輸入通道，獨立的采樣保持(T/H)電路為每個通道提供同時采樣，提供+5V輸入范圍，20MHz、12位雙向并行數據總線用來提供轉換結果，并可接受數字輸入來單獨配置每一通道的開啟和關閉。

2.2 FLASH存儲器

FLASH存儲器芯片采用8片三星公司的K9XXG08UXA系列的NAND Flash存儲器，該存儲器是按頁進行讀寫按塊擦除，通過I/O管腳分時復用發送命令/地址/數據。每片的存儲容量為512MB。存儲過程使用流水線方式對數據進行存儲。