（信号与信息处理专业论文）基于niosⅡ的信号采集处理ip终端设计.pdf

摘要 基于n i o si i 的信号采集处理i p 终端设计 作者简介：高旭东，男，1 9 7 9 年1 1 月出生，2 0 0 4 年0 9 月师从于成都理工大学 陈金鹰教授，于2 0 0 7 年0 6 月获硕士学位。 摘要 该论文基于n i o si i 软核处理器；f n a l t e r a 的f p g a 芯片技术，对地震发生后灾 害现场数据的采集处理，并将数据通过以太网进行远程传输进行了研究。以s o p c 技术为实现手段，将信号采集和传输硬件电路通过可编程片上系统来实现，其特 点是将对a d c 的控制、数字信号的滤波、t c p i p 协议的设计，通过f p g a 芯片集 成在一起，以3 2 位c p u ，n i o si i 实现对整个系统的状态控制。通过在n i o si i 中 嵌入t c p 佃协议，从而实现无p c 终端机的简易网络传输。 该设计主要从以下四个方面展开研究。利用f p g a 的逻辑功能进行了对a d c 芯片工作的控制，使其在规定的时间内与s o p c 进行数据接口，并对a d c 各引脚 时序进行控制，使两者协调同步工作，编制了相应的v h d l 语言程序。其二，采 用s o p cb u i l d e r 和利用m a t l a b 的d s pb u i l d e r 进行d s p 模块设计，实现基于n i o s i i3 2 位c p u 核的f i r 滤波器功能，创建了相应的c 旭+ + 和汇编的宏代码，使得软 件可以访问用户自定义逻辑。对顶层设计产生的v h d l 的r t l f 弋码和仿真文件进 行了综合、编译适配以及仿真。选择d s p b u i l d e r 自动调用q u a r t u si i 等e d a 软件， 完成综合、网表生成和q u a r t u si i 适配，直至在m a t l a b 中完成f p g a 的配置下载过 程。其三，应用嵌入式操作系统u c o si i 进行了本系统的操作系统设计和u c s i i 平台下的l w l p 移植，为操作系统模拟层在底层操作系统和l w l p 之间提供接口。 这样，在移植l w i p 到一个新的目标系统时，只需修改这个接口。其四，进行了 信号采集和口传输的电路硬件设计、制作与调试，包括a d c 、f p g a 、r a m 、f l a s h 及相关外围电路。 关键词：n i o si if p g as o p c 信号采集u c o s i ii p 终端 成都理工大学硕士学位论文 i pt e r m i n a ld e s i g no f s i g n a lc o l l e c t i o na n dp r o c e s s b a s e do nn 1 0 si i a b s t r a c t t h ep a d e ri sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fn i o si ia n df p g aw h i c hb e l o n g st o a l t e r a ，m a i n l yr e s e a r c h e dt h ec o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gf o rt h ed i s a s t e rl o c a ld a t aa f t e r e a r t h q u a k e ，a n da l s or e s e a r c h e dt h el o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o nf o rd a t at h r o u g ht h e e t h e r n e t t a k et h es o p ct e c h n o l o g ya st h em e a n ，a n df i n a lr e a l i z e dt h r o u g ht h e p r o g r a m m a b l es y s t e mf o rt h es i g n a lg a t h e ra n dt r a n s m i s s i o nh a r d w a r ec i r c u i t t h e c h a r a c t e r i s t i cf o rt h i sm e t h o di sw h i c hc o m b i n e dt h ec o n t r o lf o ra d c t h ef i l t e rf o r d i g i t a ls i g n a la n dt h ed e s i g nf o rt c p i pb yf p g a ，a n dt o o kt h e3 2 b i tc p ua n dn i o s i ir e a l i z e dt h ew h o l es y s t e m ss t a t ec o n t r 0 1 b ye m b e dt h et c p i pp r o t o c o li nn 1 0 si i r e a l i z e dt h en e t w o r kt r a n s f e rw h i c h w a sw i t h o u tp ct e r m i n a l t h i sd e s i g ni sm a i n l yr e s e a r c h e df r o mt h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s f i r s t u s i n gt h e f p g a ，sl o g i cf u n c t i o nc o n t r o l l e dt h ea d c sw o r k i n g f o rw h i c hc a np r o g r e s st h e d a t aj n t e f f a c ei no r d a i nt i m ea n dc o n t r o lt h ea d c sp i n ss ot h a tb o t hc a l lh a r m o n i o u s a n ds y n c h r o n o u sw o r ka n dc o m p i l e dr e l e v a n tp r o g r a m s s e c o n d ，u s i n gt h es o p c b u i l d e ra n dd s pb u i l d e rd e s i g n e dt h ed s pm o d u l e ，r e a l i z e dt h ef i rf i l t e rf u n c t i o n b a s e do nt h en 1 0 s1 1w h i c he s t a b l i s h e di n t e r r e l a t e dc c + + m a c r oc o d es ot h a tt h e s o f t w a r ec a nv i s i tt h eu s e rc u s t o ml o g i c b e s i d e s w ec o m b i n e da n dc o m p i l e dt h e v h d u sr t lc o d ew h i c hf r o mt h et i p 1 a y e ra n dt h ee m u l a t o rf i l e s w ec h o o s et h e d s pb u i l d e rw h i c hc a nt r a n s f e re d as o f t w a r es u c ha sq u a r t u si ia n ds oo n a u t o m a t i c a l l y t h i r d u s i n gt h e e m b e do p e r a t i n g s y s t e mu c o si ic o m p l e t e dt h e d e s i g nf o rt h es y s t e ma n dt h el w i pt r a n s p l a n tu n d e rt h eu c o s 1 1w h i c ho f f e r e dt h e i n t e r f a c ef o rt h eo p e r a t i n gs y s t e ma n dt h e 【州i ps o ，i ti u s tn e e dt om o d i f yt h e i n t e r f a c ew h e nt r a n s p l a n tt h el w i pt oan e ws y s t e m f o r t h d e s i g n e da n de x e c u t e dt h e c i r c u i t o f t h es i g n a l g a t h e ra n d i p t r a n s f e r w h i c h c o n c l u d e d t h e a d c 、f p g a 、r a m 、 f 1 a s ha n dc o r r e l a t i v ep e r i p h e r yc i r c u i t k e y w o r d s ：n i o si i f p g as o p c s i g n a lg a t h e ru c o s - 1 1 i pt e r m i n a l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都堡王态堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名：侈台龟 学位论文作撇瘩旭东 彻驴7 年岁月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王态堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：高把才、 却护7 年 ， 月f 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题以及提出背景 我国是一个地震灾害严重的国家。近年来，频发的地震灾害给人们的生命财 产带来的巨大的损失，同时也大大增加了人们对地震问题的关切。地震灾害是一 种小概率大灾害事件，具有突发性强、破坏性大、影响面广等特点。生命搜索是 地震紧急救援中最重要的问题，它的显著特点是在环境条件极其恶劣的情况下， 尽可能早地检测到受伤人员，并即时地将信息传送给求助人员。先进的技术与装 备是提高救助成功率，最大限度减轻人员伤亡的技术保障。地震灾害救助工作是 公共安全的重要组成部分，承担着保护人民生命财产安全和经济社会可持续发展 的重任。在我国全面建设小康社会的关键历史时期，为了最大限度地减轻地震灾 害带来的损失，满足人民日益增长的地震安全需求，如何建设地震灾害救助系统 已成为迫切需要解决的科学问题。 1 1 i 课题提出背景 城市地震灾害主要造成建筑物和生命线工程的严重破坏，产生一系列地震次 生灾害。大批被掩埋在废墟瓦砾之中的灾民等待救助。地震救灾的首重任务，就 是要在极端困难条件下充分发挥地震救灾技术及装备的作用，争分夺秒，拯救生 命，最大限度地减轻人员伤亡。 由于传统救灾技术较落后，救灾工作效率低。地震救灾的最大经验教训是缺 乏现代高新技术的救灾工作设备。例如今年1 月26 日印度西北部发生7 8 级 大地震，造成1 65 万人死亡，l5 万人受伤。震灾几天后，灾区现场还有成 千上万人动用大铲、铁镐等传统技术及工具进行救灾，面对数万濒于死亡的生命， 缺乏高新技术救灾设备的救生人员只能望天悲叹。“工欲善其事，必先利其器”， 面对复杂的灾害现场，必须开发出先进的救灾技术装备和设备，才可以提高地震 应急消防救灾抢险能力，才可以将人民生命和财产损失减少到最小。 本方案就是针对地震灾害后的负责客观环境，设计了基于n i o si i 软核处理 器和a l t e r a 的f p g a 芯片实现信号采集和i p 终端接口，用于对震后灾害现场数 据进行采集处理，并将数据通过以太网传输到服务器。利用数字信号处理技术， 实时获取灾后现场的多种信息，包括生命信息、环境参数、音视频信息、地面运 动信息等。实际中的模拟信号经a d c 后，数字化信息就可以在f p g a 中进行相 应的处理，包括f i r 滤波、f f t 、音视频信号的编码压缩等。由于f f g a 可以实 成都理工大学硕士学位论文 现高速的数字信号处理，以及在系统可编程，所以可以进行大量的数据处理工作， 并且可以根据实际情况，重新配置f p g a ，以达到不同功能的应用。 1 1 2 国内外研究动态 长期以来，国家十分关注地震灾害救助技术的研究，各级抗震救灾指挥部技 术系统是地震应急指挥的技术平台，综合利用自动监测、通信、计算机、遥感等 高新技术，实现震情灾情快速响应、应急指挥决策、灾害损失快速评估与动态跟 踪、地震趋势判断的快速反馈，以达到应急处置、搜索与营救的技术保障。从 2 0 0 0 年起开始，救援装备、技术的研究与开发进入了一个新的时期，此前，也 有不少专家学者对此进行呼吁，也有部分装备问世。值得一提的是，中国地震局 已托中国地震局地球物理研究所就国家地震灾害紧急救援队的组建可行性研究 和方案编制为契机，开始了地震应急救助技术与装备的调研工作。 例如目前先进的多功能抢险车，主要救助设备有红外成像生命探测仪、有毒 气体液体探测仪、金属切割机、各种破拆工具等等。红外线成像生命探测仪，利 用红外线探测技术寻找被埋压人的原理，是基于人体温度的45 是以热辐射方 式发散的，而且与周围的环境不同，因此可以利用专门的红外生命探测仪在绝对 黑暗中探测到人体。利用红外生命探测仪已经在国内外多次地震中救出了许多被 埋灾民。红外生命探测仪不仅适用于地震救灾，对矿井塌陷、滑波、泥石流、火 灾和建筑物倒塌等都是救灾“锐器”。大大提高了地震应急消防救灾抢险能力。 可以认为，于2 0 0 1 年启动的国家“十五”科技攻关计划课题“地震救助生 命搜索与定位技术研究”，是我国正式开始建立救援技术与装备研究与发展体系 的重要转折点。 1 1 3 基于n i o s l l 的s o p c 简介 随着电路规模越来越大，系统集成( s o t ) 已经成为i c 设计的发展趋势，相 应地也有了可编程系统集成( sopc ) 。a l t e r a 的3 2 位嵌入式精简指令集c p u n i o s1 1 是一个基于流水线设计的通用r i s c 微处理器，拥有五级流水线和指令 与数据内存分开的哈佛结构。n i o si i 和a v a l o n 总线一起构成了这个s o p c 系统 的主要内容。s o p c 首先由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它具 有可编程性，可以灵活地裁减、扩充或者升级这个系统，而无需改变硬件。s o p c 具备以下基本特征： 至少含一个嵌入式处理器内核； 具有小容量片内高速r a m 资源； 2 第1 章引言 丰富的i p c o r e 资源可供选择： 足够的片上可编程逻辑资源； 处理器调试接口和f p g a 编程接口； 可包含部分可编程模拟电路； 单芯片、低功耗、微封装。 此外，如嵌入式处理器内核与内存和周边设备交互的方便性、i p 核的可移 植性、设计的复用性、仿真和验证的可靠性及从公共设计平台创建产品的定制化 能力等，也是s o p c 关注的问题。a l t e r a 开发了a v a l o n 片上总线来连接处理器、 内存，周边设备和ip 核等系统组件。可以使用s o p cb u i l d e r 工具，选定a v a l o n 总线的主设备( 比如n i o sc p u ) 和从设备( 比如内存和周边设备) ，然后s o p c b u i l d e r 会自动连接各个部件，生成整个系统。只要系统的各个部件都符合a v a l o n 总线的标准，就可以很快生成高性能的s o p c 系统。 1 2 本设计研究内容 本论文进行灾害救助生命搜索系统中的数据采集、传输方面的应用研究，针 对灾后情况的特点对生命和环境信息获取、信息传输进行了研究与探讨。 1 信息采集与处理。实际中的模拟信号经a d c 后，利用数字信息处理技术 就可以对所采集信号进行实时高效处理与传输，包括f i r 滤波、f f t 、音视频信 号的编码压缩等。目前基于6 5 n m 工艺的技术的f p g a ，可以将2 亿个晶体管集成在一个 芯片中，内同功嵌1 1 0 个d s p ，其总d s p 香量达到5 3 7 g m a c ，并具有8 9 6 个1 8 x 1 8 乘法“ 器，3 3 万个逻辑单元。因此可以实现高速的数字信号处理，以及在系统可编程，利 用f p g a 这一特性，可以通过l p 终端进行大量的数据处理工作，并且可以根据 实际情况，重新配置f p g a ，以达到不同功能的应用。 2 信息传输。基于n i o sl i 的s o p c 系统可以很方便的构建一个带有 1 0 0 m 1 0 0 0 m 以太网接口的嵌入式系统，这样可以很方便的将处理后的数据直接 在以太网上传输。由于系统前端可以进行高速的d s p 处理，包括视频编解码， 如h 2 6 4 等，所以可以在以太网上实现包括v o i p 、i ”v 等功能，这样就可以将 灾害现场更真实的情况反映到服务器或后端的指挥中心。 1 3 本设计创新点 l 、实现片上系统，实现高集成度和可靠度。 在一片f p g a 内部实现了整个控制和信号处理的功能，这是传统的设计方 案无法做到的。n i o s 作为一款软核3 2 位高性能微处理器可以在f p g a 内部进 成都理工大学硕士学位论文 行配置，正因为这一点，才实现了可编程片上系统的功能。 2 、自定制指令，加快执行速度。 由于在设计f f t 的软件算法时需要用到比较多的浮点乘法运算，而n i o s 中没有硬件浮点乘法指令，但可以利用n i o s 可定制指令的特性，用通用的 l e 定义一个硬件浮点乘法指令，加入到指令系统中，同时还可以定义一些起 它的数字信号处理的指令，这样在进行一些数字信号处理算法时，调用这些指 令将大大加快运行速度。 3 、数字滤波使用全硬件实现，大大加快数字信号处理的速度。 利用f p g a 内部丰富的逻辑资源加上功能强大的开发环境，可以在f p g a 内部设计全硬件的数字信号协处理器，在正本系统中设计了f i r 高通和低通可 以选择的数字硬件录滤波器，大大加快了数据处理的速度。 4 、定制a v a l o n 总线接口p w m 控制器。 在s o p cb u i l d e r 中提供了方便的向导帮助设计基于a v a l o n 总线接口的i p c o r e ，由于以i pc o r e 的方式集成在了软件中，可以方便地设计出接口的驱动 程序并添加到硬件抽象层中，方便了开发。可以方便地根据需要添加若干个 p w m 控制器来完成我们的设计。这正是开放总线接口给我们带来的优势。 5 、使用了嵌入式操作系统u c o si i n i o s 处理器强大的功能和处理速度以及对标准c 语言的支持，可以方便 的将u c o s1 i 移植到处理器上，n i o si d e 中已经有移植好的u c o s1 1 供使 用，用n i o s 的开发环境可以很方便地开发应用程序。 6 、软核处理器可以任意添加接口。 由于n i o s 为软核c p u 并且可以配置，因此，当需要若干个i o 口来进行 f p g a 内部或者与外部的联系时，可以根据需要任意添加i o 口来满足我们的 设计要求，比如说在的设计中，用到了很多外设，比如液晶控制器接口、a d 控制器、f i r 滤波器等等，这需要大量的l o 口与n i o sc p u 进行通信，利用 软核的优势，可以很方便地完成设计。 4 第2 章信号采集处理i p 终端设计 第2 章信号采集处理i p 终端设计 2 1 信号采集处理i p 终端组成 本系统包括数据采集、传输两个方面。 l 、信息采集与处理。利用模拟和数字信号处理技术，实时获取灾后现场的 多种信息，包括生命信息、环境参数、音视频信息、地面运动信息等。实际中的 模拟信号经a d c 后，数字化信息就可以在f p g a 中进行相应的处理，包括f i r 滤波、f f t 、音视频信号的编码压缩等。由于f p g a 可以实现高速的数字信号处 理，以及在系统可编程，所以可以利用f p g a 这一特性，进行大量的数据处理工 作，并且可以根据实际情况，重新配置f p g a ，以达到不同功能的应用。n i o si i 处理器是a l t e r a 公司为其f p g a 产品配套开发的软核c p u 。在逻辑功能上，它 们是3 2 位的精简指令集c p u ；在实现方式上，它们是在f p g a 上通过编程的方 式实现的，这也是与传统的c p u 的一个根本的差别。n i o s 软核处理器集成在 f p g a 内部，改变传统的m c u + f p g a 的模式，将控制部分和数字信号处理部分 集成在一片f p g a 内部，实现了片上系统，减小了体积和功耗。经过s o p c 系统 处理后，大量的数据被筛选压缩，这样可以减少对上位机传输的数据量，可以很 高效的将有用的信息传回服务器。 2 、信息传输。基于n i o s1 i 的s o p c 系统可以很方便的构建一个带有 1 0 0 m 1 0 0 0 m 以太网接口的嵌入式系统，这样可以很方便的将处理后的数据通过 以太网传输。由于系统前端可以进行高速的d s p 处理，包括视频编解码，如h 2 6 4 等，所以可以在以太网上实现包括v o l p 等功能，这样就可以将灾害现场更真实 的情况反映到服务器或后端的指挥中心。由于现在以太网的搭建已经不是很困难 的事情，即使在灾后地理情况复杂，通信线路被破坏的情况下，也可以迅速构建 起包括有线和无线传输的以太网，所以这种传输方式很适合灾后的数据传输与通 信。 2 2 系统硬件部分的设计 本系统整体硬件结构框图如图2 一l ，包括f p g a 、外围r a m 、f l a s h 、a d 。 成都理工大学硕士学位论文 。 圈臼圈臼曰 图2 - ! 系统结构框图 本系统完全是围绕n i o s1 10 9s o p c 展开设计的，所有单元模块都是作为 s o p c 的元件加在a v a l o n 总线上0 9 。图2 - - 2 是n i o s1 1 处理器0 9s y m b o l 图。通 过这张图可以看到n i o s 为处理器单元所集成的外围设备。 图2 2 $ o p cs y 岫o 6 回回叵 第2 章信号采集处理l p 终端设计 本系统各子电路图如下： f p g a 采用a l t e r ac y c l o n ei i 系列的e p 2 c 2 0 q 2 4 0 芯片图2 3 为f p g a 电 路图的部分1 2 i b i 啪k $ 受臻 d j mn m 、w e w n n n 日* - 穗 ”档钟j l q ”l on h w 唧 t ，d u c l hd ”珥n d 一一口日m 4 啦 曩女q q x q 嘶删l ， d 月n h o 轴o c - d苴”跗姆1 1 日-l j d r 4 脚c n k u ，自4 日d d 目q 嘲n ”4 ，啪 m l q 山t o 艄h m n 2 ”腻自射c ”n ”粕 0 4 l 二坤i l i 一口n 日u t 垂篓噩 n w e f 韫 曩d _ 瑚u 韶一d n q n 扭0 t h d雌o “蜱， ”黼“，嘲”d n 曩b h “埘“口喇铆 a h 棚哐it 暇 攀 ”黼，+ 埘d 丑4 也“t 山_ 獬 m t b a 姊，_ a 目_ a 静“ 一m n 脑 口n h 嗨d w l 髀， d u 4 *i 一n n “辨 臆砧b 州 _ 一 t q ， 肆k 羽p 吩d l q ，嘲蝴t - 耋 一l n 一# 口4 0 4 q ， d ”删删 dr “ 一n 瑚t n ”嘶d q i 蛳 盛 c u o q m d “田h d 口，l ；叫蝴- n 月n 柙。i h 眦，q ，f h 图2 - 3f p e ； 电路图部分1 图2 4 为f p g a 电路图的部分2 。 哺“瓤i雌(t dd 0 n e 慨舶x 目a _n e 衲踟坤h n r 删- 鼢奄o 删a ，e b ，t “a t ￥“啪删 船r 一，n 删 d 一h 口4 b d 肿 矗埽、舢o d u 0 珥r 日i n 囊h h 日h 目种蝴， d r o 口轴自4 4 n 口r nt l 啪扛o 目口删 n 瓣r 4 h ”“ b 磷4 mn k 口州q 耵珥r - 曲m 缸棚雌瓣田柚学mt l 罐蚺删咄衄啡= i n 恤_d 1 l r n d o a h d 4 b 糊：n ”目日盥毗k n n 嘶a 私二口l 螂曩”t 日h * 脚i 目啪黼 h m b h 纯j a 日自目o n w d 4 b - “ n ”飞珥n o 搿 鼙哪魄删一 b r q ，r 群。眦h 4 蛳五0 4 出，蝌 +n m d n 口i ”4 1 4 d ； n r 协口# 日j w n l t 日 d b 埘“鼙p “珥h 】 i q 、t t * mb o 锄h 0 d r f d 雕4 rt 嘲4 恤蛳， n r 一口聃c l n t 蹦 n #p 一 n r o n o 口l 曩附h “b t l 轴# n d t ? 1 ，：m 4 n r t p “嚣z l e 日峨n r 榭m d z i -h d r 0 机a 时 n m 虻d 叫 d u _ 嘶口呻o ；阱i ”m d i n o ，口h d ，k j h 图2 - 4f p 6 a 电路图部分2 7 成都理工大学硕士学位论文 图2 5 为d r a m 的电路图 图2 - 5d r a m 电路图 图2 6 为f l a s h 的电路图。 图2 - 6f l a s h 电路图 8 第2 章信号采集处理i p 终端设计 图2 - - 8 为a d 部分电路图 图2 - 7e t h e r n e t 电路图 2 3s o p c 系统设置 图2 - 8a d 部分电路图 本系统中，n 1 0 sc p u 选用的是s t a n d a r d 标准类型。 a d m ；f i f o 中的采样数据送到n i o s 处理器进行处理的数据口a r d _ e l k , r d _ r e q r de m p ：为a df i f o 的控制线。 9 成都理工大学硕士学位论文 s e l f i r ：用于设置滤波器类型的控制线。 s e 胁：用于控制a d 采样频率的控制线。 p w mt e s t ：自定制p w m 外设的输出端口，用于系统自检。 下面分别从几个方面详细说明硬件各个部分设计过程。 2 3 1 基于a v a l o n 总线接口的p w m 外设逻辑的设计 l 、a v a l o n 总线介绍 a v a l o n 总线是a a l t e r a g i 公司提出的一种总线结构，设计它的目的是为了能 够简单可靠的将处理器和外围设备连接起来构成一个s o p c 系统。a v a l o n 总线除 了定义了主设备和从设备之间的连接端口，还定义了主从设备之间的连接时序。 a v a l o n 的数据总线支持3 种宽度：字节，字，双字。在一个传输完成后， a v a l o n 总线在下一个时钟周期会马上进行新的传输。这个新的传输可以是在原有 的主从设备之间，也可以是在新的主从设备之间。 a v a l o n 作为一种专为s o p c 设计的总线结构同传统结构有较大区别，因此为 了更好的理解a v a l o n 总线的体系结构，有必要对一些名词进行详细解释： a 总线周期，a v a l o n 总线一个周期从主时钟卜升时开始，主时钟下降沿结 束。总线控制信号的时序均以总线周期为参考。 b 总线传输，a v a l o n 总线传输是指数据的读写操作，根据不同的主从设备， 总线传输时间可能为一个或多个周期。 c 主端口，他是主设备上的若干端 j 的集合，直接同a v a l o n 总线相连接， 是a v a l o n 总线上数据传输的发起者，一个设备可能有多个主端口。 d 从端口，他是从设备上若干端口的集合，直接同a v a l o n 总线相连接，同 a v a l o n 总线上的主端口发生数据交互。主设备也可以有从端口。 e 主从设备对，主从设备对是需要发生数据交互的一对主设备和从设备。 它们通过各自连接在a v a l o n 总线上的主从设备端口进行数据传输。 a v a l o n 总线主要包括多路选择器和仲裁器两大部分，对于一个系统来说可以 有多个a v a l o n 总线模块。a v a l o n 总线有以下特征： a ) a v a l o n 总线最大寻址空间为4 g b y t e b ) a v a l o n 总线的所有信号都同步于a v a l o n 总线的时钟。 c ) a v a l o n 总线为每个外围设备提供单独的地址线，数据线和控制线，这样简 化了外围设备接口的复杂度。 d ) 6 j 部多路选择器会自动为特征的传输建立专门的数据通路。 e ) 会自动生成外围设备的片选信号，也即是说它内置了地址解码功能，这简 化了外围设备接口的设计。 l o 第2 章信号采集处理i p 终端设计 t ) a v a l o n 总线为并行多主设备结构，允许多个主设备同时进行数据传输。 g ) a v a l o n 总线可以自动完成不同时间宽度设备之间的数据传输 h ) a v a l o n 总线具有中断处理功能。每个外围设备均有单独的中断请求信号线 同a v a l o n 总线相连，a v a l o n 总线会生成对应的中断信号并传输给n i o s 。 针对a v a l o n 总线的这些优势，a l t e r a 公司提供了自定制逻辑加入s o p c 系统 的接口，只要按照a v a l o n 总线的接口规范设计好接口，定义好逻辑，就可以根 据向导提示将自己定义的外设加入到系统当中 2 、p w m 外设的功能设计 设计的p w m 外设属于a v a l o ns l a v e 模式的外设，总线对p w m 的控制是通 过控制p w m 的几个寄存器来完成的，寄存器的地址自动映射到系统中，系统编 译时会自动分配寄存器地址 p w m 是英文p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( 脉冲宽度调制) 缩写，按一定规律改变 脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形。 所设计的p w m 要求具有以下功能： 1 ) 设设置周期 通过c l o c kd i v i d e 端口设置周期数，将输出周期设置为c l k 的c l o c kd i v i d e 倍。其最大为c l k 的2 ”= 4 2 9 4 9 6 7 2 9 6 倍。该寄存器为3 2 位。 2 ) 设置占空比 通过d u t y _ c y c l e 设置低电平的所占比例，d u t yc y c l e 的数值要小于 c l o c kd i v i d e 的数值。该寄存器也为3 2 位。 3 ) 控制p w m 的输出使能 通过控制c o n t r o l 可以控制p w m 是否进行输出。 p w m 逻辑功能的v e r i l o gh d l 设计 p w m 外设的核心是一个计数器，通过c l o c k _ d i v i d e 控制计数器周期，而输 出则是d u t y _ c y c l e 与计数器比较的结果。 下面的v e r i l o g 程序分别为控制周期和脉冲宽度的源程序。 a l w a y s ( p o s e d g ec l ko rn e g e d g er e s e t n ) p w mc o u m e rp r o c e s s b e g i n i f ( 们s e t n ) b e g i n c o u n t e r = 0 ： e n d e l s ei t p w m _ e n a b l e ) b e g i n 成都理工大学硕士学位论文 i f ( c o u n t e r 批c l o c k _ d l v i d e ) b e g m c o u n t e r 0 = o ： e n d e l s eb e g i n c o u n t e r - c o u n t e r + l ： e n d e n d e l s eb e g i n c o u n t e ro c o u n t e r ； e n d a l w a y s ( p o s e d g e c i ko rn e g e d g er e s e t n )p w mc o m p a r i t o r b e g i n i f ( 吖e s e t n ) b e g i n p w m _ o u t = d u t y _ c y c l e ) b e g i n p w m _ o u t - l b l ： e n d e l s eb e g i n i f ( c o u n t e r 0 1 p w m _ o u t ( _ o ： e l s e p w m _ o u t _ p w m _ o u t ； e n d e n d e l s eb e g m p w m _ o u t _ l q ) o ； e n d e n d p w m 外设的时序仿真图如图2 - - 9 ： 第2 章信号采集处理i p 终端设计 图2 _ 9p 榭仿真图 完成p w m 功能设计后，开始设计功能模块与a v a l o n 总线的接口时序，接 口时序主要负责把总线上的信号传递到控制功能模块的寄存器上，完成总线与控 制寄存器的通信功能，与s l a v e 接口外设有关的总线信号主要有e l k ，r e s e t n , c h i p _ s e l e c t a d d r e s s , w r i t e , w r i t e d a t a , r e a d , r e a d _ d a t a 。a d d r e s s 主要用于传递总线 地址，并把地址译码到寄存器，选择相应的控制寄存器后，w r i t e , w r i t ed a t a , r e a d ，r e a d 等信号负责对这些寄存器进行读写操作。_data 2 3 2 浮点硬件乘法加减法指令的定制和集成 在数字信号处理的许多算法中经常要用到浮点乘法运算，而n i o s 处理器中 本身部带有硬件浮点乘法指令，因此定义硬件浮点乘法指令将大大加快相关地数 字信号处理的速度，n i o s 系统专门留有接口，可以定义硬件指令集成到n i o s 处理器的指令系统中去，在程序中，只需要调用相应的指令即可硬件完成操作。 按照i e e e 7 5 4 标准规定，对单精度浮点数乘法可分成符号位计算、指数位 计算和余乘法计算。前两者的实现非常简单，符号位为两个乘数的符号位即最高 位的异或结果。指数位的计算为两个无符号8 位二进制整数相加后减去1 2 7 ，并 判断是否溢出和为0 。而余数的乘法实现最为困难，该环节是浮点数乘法器的瓶 颈所在，其性能决定整个浮点数乘法器的表现。余数的乘法可以变换为两个2 4 位无符号整数相乘，所以浮点数乘法器设计的关键在于实现高性能的2 4 位无符 号整数乘法器。 前硬件乘法器的基本设计思想和手工乘法运算方法基本一致，首先将被乘数 与乘数的各个位分别相乘得出部分积，然后对所得的部分积累加获得最后结果。 该方法简单直观，实现容易，所需硬件资源也少，缺点在于时间开销过大且随乘 法器位数的增加而成比例增加。为了减少乘法运算时间，许多改进算法被广泛使 用，如b o o t h 算法，改进b o o t h 算法，w a l l a c e t r e e 算法，d a d d a 算法等。 设计完硬件乘法器及相应的接口单元，即可利用向导将定制指令集成到系统 成都理工大学硕士学位论文 中，如图2 一l o 所示，集成后即可看到左边l i b r a r y 种的z x xf p _ m u l 指令，点击 添加后，在右侧可以看到添加的定制乘法指令。 图2 - 1 0 添加自定义指令 当建立的工程文件编译后，可以在s y s t e m h 中看到如下关于浮点乘法和加减 法的一些宏定义，根据宏定义，可以直接利用a l t c i f pm u l t _ c i ( a , b ) 来进 行a 和b 的硬件浮点乘法运算。 系统宏定义文档： # d e f i n e a l t c i j p m u l t c 1 一no x 0 0 0 0 0 0 0 0 # d e f i n ea l t c i f pm u l t _ c i ( a , b ) b u i l t i n _ c u s t o m _ i n i i ( a l tc lf pm u l t _ c l n ，( a ) ，( b ) ) # d e f i n e a l t c 1 j 疆土d d s u b c 1 一n0 x 0 0 0 0 0 0 0 2 # d e f i n ea l t c i f pa d d _ s u b c l n l m a s k ( ( 1 一高通 y 吲2 + ( t a p ( 0 ) + t a p ( 1 5 ) ) - ( t a p ( 0 ) + t a p 0 5 ) ) 一 ( t a p ( 0 ) + t a p ( 1 5 ) ) 2 + 6 4 ( t a p ( 1 ) + t a p ( 1 4 ) ) + 1 6 + ( t a p ( 1 ) + t a p 0 4 ) ) - 5 2 + ( t a p ( 2 ) + t a p ( 1 3 ) ) + 4 1 + ( t a p ( 3 ) + t a p ( 1 2 ) ) 一1 7 2 + ( t a p ( 4 ) + t a p ( ! 1 ) ) 成都理工大学硕士学位论文 + 2 + ( t a p ( 5 h a p ( 1 0 ) ) 邯a p ( 5 ) + t a p ( 1 0 ) ) 2 3 8 5 ( t a p ( 6 ) 怕p ( 9 ) ) + 4 6 2 + ( t a p ( 7 ) + t a p ( 8 ) ) ) 1 0 2 4 ； f o r i i n1 5d o w n t o1l o o p t a p ( d - - t a p ( i - d ；- t a p p e dd e i a yl i n e ：s h i f t0 1 1 e e n dl o o p ； t a p ( o ) q ； w h e n ”0 0 ” 低通一一 2 7 这种直接型的f i r 设计方法的优点是应用多个硬件乘法器和加法器进行并 行运算，只需要一个周期就能算出一个结果，缺点是由于使用并行运算，占用了 大量的逻辑资源。 可以通过2 位控制字来选择使用“高通”低通”“无”状态，控制字由n i o s 处理器通过软件发出，可以在程序中通过按钮来设定。 f i r 的时序仿真图如图2 - - 1 1 所示： 图2 - i if i r 仿真波形 系统生成的s y m b o l 如图2 1 2 ： 圈2 1 2f i rs y m b o 2 5a d 采样控制器的设计 为了将传感器输出的模拟信号转化为数字信号，采用一款串行1 2b n 的a d 1 6 第2 章信号采集处理礤终端设计 a d s 7 8 4 1 来对振动传感器输出的模拟振动信号进行采集。为了让c p u 专注于处 理其它的任务，专门在f p g a 内部设计一个a d 硬件控制器，负责对a d 的采样 控制，并把