基于SOPC的以太網遠程數據采集系統設計

摘要：針對測控系統中設備分散，檢測環境惡劣的情況，設計了一種基于SOPC的以太網遠程數據采集系統。系統采樣基于NiosⅡ軟核的SOPC架構，以μC／OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統為軟件運行平臺，以LWIP為以太網通信協議，實現了遠程數據采集和以太網傳輸及控制。整個系統在CycloneⅡEP2C35開發板上實現并通過驗證，實驗結果滿足設計要求并具有較好的應用前景。
關鍵詞：SOPC；以太網；NiosⅡ；LWIP；遠程數據采集

在工業測控系統中，往往存在現場檢測環境惡劣，設備分散，需要檢測系統具有遠程分布式數據采集功能，以實現設備的遠程檢測與監控。嵌入式以太網技術將以太網技術和嵌入式技術有機結合在一起，很好的滿足這種需求。Ethernet與傳統通訊接口相比，具有性價比高、傳輸距離遠、分布運行等特點；SOPC是基于FPGA解決方案的SOC，是MCU、DSP、FPGA的有機結合，具有體積小、功耗低、可靈活配置等優點。利用SOPC以太網技術將SOPC嵌入式測量模塊接入網絡進行控制，使其實現PC機所具有的遠近程測量控制和信息發布各項功能，讓工作人員遠離現場，仍可以對測量設備進行控制并獲得測量數據。

1 系統總體設計
本系統采用FPGA+NiosⅡ的架構進行設計。系統主要有數據采集模塊、FPGA模塊、存儲器模塊、網絡接口模塊組成，系統總體結構如圖1所示。首先將待測量經傳感器轉化為電信號，然后經前端信號調理，A／D轉換寫入FPGA片上FIFO，然后FPGA讀出數據經信號恢復、FIR數字濾波后存入RAM中，最后通過Ethernet傳輸到上位機進行顯示、診斷等處理。本方案可作為單獨采集系統和一臺計算機組成檢測系統；也可加入路由器，一個采集模塊與多臺計算機相連實現數據共享，或者一臺計算機與多個采集模塊相連，實現分布式檢測。

2 系統硬件設計
本設計采用的FPGA器件是Altera公司的Cyclone II系列EP2C35F672芯片。EP2C35內置35個18×18的硬件乘法器，有105個M4K RAM塊，共483 840位。在FPGA基礎上構建基于Nios II的SOPC系統，使用軟硬件協同的方法對A／D轉換器和網絡傳輸芯片進行控制。存儲器模塊包括SRAM、SDRAM、Flash 3種類型的存儲器。一片IDT71V416S256Kx16bits的SRAM，用作FPGA的緩存使用，存放運行的程序；一片A3V64S40ETP4 Mx16 bits的SDRAM，用來存儲程序運行的中間數據；一片AMD29LV128M123R 16 MB的FLASH存儲器，用來保存固化的程序和數據。為解決速率匹配、數據緩沖等問題，利用FPGA片上RAM資源設計8 k×16 bitsFIFO，將AD采樣的數據進行緩存。