基于SoPC的状态监测装置的嵌入式软硬件协同设计

1、2012年 11月 15日 第 35卷第 22期现代电子技术M o d e r n E l e c t r o n i c s T e c h n i qu e N o v . 2012V o l . 35N o . 22基于 S o P C 的状态监测装置的嵌入式软硬件协同设计于 海 1,2, 姚启桂 2, 虞 跃 2, 朱 浩 3(1. 东南大学 , 江苏 南京 210003; 2. 中国电力科学研究院 , 江苏 南京 210003;3. 南京南瑞集团 水利水电技术分公司 , 江苏 南京 210003摘 要 :首先介绍了软硬件协同设计方法的发展过 程 和 状 态 监 测 装 置 开 发 的

2、 背 景 资 料 , 然 后 利 用 该 方 法 设 计 了 一 款 新 型的高性能状态监测装置 ,并分别从硬件和软件 2个角度对设计方法进行了深入说明 。 该装置已成功集成于水电机组 在线 监测 系统中 , 实际应 用 证实 了 它具有 性能高 、 稳定 性 好 、 扩 展 性 强 等 优 点 , 同 时 该 设 计 方 法 对 于 电 力 场 合 其 它 类 似 应 用 亦 有 较大 的 借鉴意义 。关键词 :软硬件协同 ; S o P C ; 状态监测 ; L i n u x ; F P G A ; P L C中图分类号 :T N 919-34 文献标识码 :A 文章编号 :1004-3

3、73X (2012 22-0001-03E m b e d e d h a r d w a r e a n d s o f t w a r e c o -d e s i g n f o r S o P C -b a s e d c o n d i t i o n m o n i t o r i n g d e v i c e Y U H a i 1,2, Y A O Q i gu i 2, Y U Y u e 2, Z HU H a o 3(1. S o u t h e a s t U n i v e r s i t y , N a n j i n g 210003, C h i n a ;

4、2. E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e , N a n j i n g 210003, C h i n a ; 3. N a r i H y d r o W a t e r T e c h n o l o g i e s I n c , N a n j i n g 210003, C h i n a A b s t r a c t :T h e d e v e l o p m e n t p r o c e s s o f s o f t w a r e a n d h a r d w a r e c o -

5、d e s i g n h o d a n d d e v e l o p m e n t b a c k g r o u n d o f s t a t e m o n i t o r i n g s y s t e m a r e i n t r o d u c e d . A n e w h i g h -p e r f o r m a n c e s t a t e m o n i t o r i n g d e v i c e w a s d e s i g n e d w i t h t h e m e t h o d , w h i c h i s d e s c r i b e

6、 d r e s p e c t i v e l y i n t w o r e s p e c t s o f s o f t w a r e a n d h a r d w a r e .T h e d e v i c e w a s s u c c e s s f u l l y i n t e g r a t e d i n t h e o n -l i n e m o n i t o r i n g s y s t e m i n a h y d r o -p o w e r g e n e r a t i n g u n i t . T h e p r a c t i c a l

7、a p p l i c a t i o n c o n f i r m s i t h a s h i g h p e r f o r m a n c e , g o o d s t a b i l i t y a n d s t r o n g s c a l a b i l i t y . T h e d e s i g n m e t h o d a l s o h a s a g r e a t r e f e r e n t i a l s i g n i f i c a n c e f o r o t h e r s i m i l a r a p p l i c a t i o

8、n s . K e yw o r d s :s o f t w a r e a n d h a r d w a r e c o -d e s i g n ; S o P C ; s t a t e m o n i t o r i n g ; L i n u x ; F P G A ; P L C 收稿日期 :2012-05-23基金项目 :国家 “ 863” 计 划 项 目 :智 能 配 用 电 信 息 及 通 信 支 撑 技术研究与开发 (2011A A 05A 1160 引 言软硬件 协 同 设 计 (H a r d w a r e /S o f t w a r e C o -d e s

9、i gn 是在 20世纪 90年代兴起的跨领域交叉学科 1。 随着超大规模集成电路制造工艺的进步 , 单个芯片所能提供 的晶体管数量已经超过了大多数电子系统的需求 , 专用 集 成 电 路 (A p p l i c a t i o n S p e c i f i c I n t e gr a t e d C i r c u i t , A S I C 设 计 逐 渐 进 入 了 片 上 系 统 (S y s t e m o n C h i p , S o C 设计的时代 。 片 上 可 编 程 系 统 (S y s t e m o n a P r o gr a m m a b l e C h

10、i p ,S o P C 是 A l t e r a 公司提出来的一种灵活 、 高效的 S o C 解决方案 。 它是一种特 殊的嵌入式系统 :首 先 , 它 是系统芯片 S o C , 即单个芯片能完成系统的主要逻辑功 能 ; 其次 , 它是可编程系统 , 具有灵活 的设计方 式 , 可裁 剪 、 可 升 级 、 可 扩 充 , 并 具 备 软 硬 件 在 系 统 可 编 程 的功能 2-3。 由此可见 , 软硬件协同设计是电子系统复杂化后的 一种设计新趋 势 , 其 中 S o P C 是 这 一 趋 势 的 典 型 代 表 。 S o P C 技术为嵌入式系统设计提供了一种更为方便 、灵

11、 活和 可 靠 的 软 硬 件 协 同 实 现 方 式 。 本 文 利 用 基 于 S o P C 的 软 硬 件 协 同 设 计 方 法 实 现 了 水 电 机 组 在 线 监测系统中的状态监测装置 ,是软硬件协同设计技术在电 力场合的嵌入式装置开发中的创新式的尝试 。 1 基于 S o P C 的软硬件协同设计 1. 1 设计 思想基于 S o P C 的软硬件协同设计的核心是系统 功 能 集成 , 设计思想较传统方法有了根本改变 , 即从以功能 设计为基础的传统流程转变到以功能组装为基础的全 新流程 。 软硬件协同设计在实际应用中表现为软硬件 协同设计平台的开发 , 首先对不同的任务目标

12、找到最恰 当的设计方案 , 然后进行软硬件划分 , 产生硬件描述 、 软 件描述和软硬件边界描述 3个部分 。 软硬件划分是软 硬件协同设计的关键步骤 , 其基本任务是在满足某些约 束的条件下 , 将系统功能行为 “ 最优地 ” 分配到一定的软硬件系统结构上进行设计规划 4。1. 2 设计 流 程软硬件协同设计就是同时设计系 统中的软件和硬 件部分 , 来满足系统的性能指标 。 面向 S o P C 的软硬件 协同设计流程从目标系统构思开始 。 对一个给定 的 目 标系统 , 经过构思 , 完成其系统整体描述 , 然后交给软硬 件协同设计的开发集成环境 , 由计算机自动完成剩余的 全部工作 。 一般而言 , 还要 经过模 块的行为描述 、 对模 块的有效性检查 、 软硬件划分 、 硬件综 合 、 软件编 译 、 软 硬件集成 , 软硬件协同仿真与验证等各个阶段 。 软硬件 协同