sopc作业.docVIP

浙江万里学院2011/2012学年第1学期 《SOPC设计及应用》大作业 班级：信息工程082 学号 姓名：孙敏凤 成绩： 基于SOPC的数据采集与处理系统设计(System on Programmable Chip)是一种特殊的嵌入式系统。首先，它是一种SoC系统，即由一个芯片完成系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程的片上系统，即可配置、可裁减、可扩充、可升级，具有硬件系统的可编程性。采用SoPC的设计，具有很大的灵活性。它可以根据需要定制各个硬件模块，包括处理器、总线、存储器和通信模块等，这就使得在一个芯片上搭建一个按需定制的SoC系统成为可能。而Linux系统也因为其良好的可裁减、可配置的特点广泛应用于各种嵌入式系统，Linux操作系统提供了许多系统级的应用，例如网络协议的实现、进程调度、内存管理等，同时Linux是一个成熟的开源操作系统，有丰富的应用资源。利用这些资源和强大的系统功能，用户可以基于嵌入式Linux快速地开发出面向复杂应用的嵌入式系统。因此，结合SoPC和Linux优势，可以很好地满足嵌入式系统根据需求量体裁衣，去除冗余。煤炭是事关国民经济可持续发展的基础产业,随着国民经济的发展,各个行业对煤炭的需求量不断增加,如何保障煤炭生产的安全高效和可持续性发展就显得非常重要。而地震勘探作为一种广泛应用的物理地球勘探手段,把它应用到矿井探测中,可以超前探测断层、陷落柱、采空区的形态、走向、影响范围及顶底煤厚、围岩松动圈等的内容,为煤矿生产过程中出现的地质异常提供及时准确的预测参数,以保障煤炭生产的安全高效。因此开发出适用于矿井地震勘探仪器具有十分重要的意义。但是,地震勘探对数据采集与处理系统的性能要求很高,用传统的单片机或DSP来实现,很难满足系统的实时性、多通道同步性和仪器便携性等要求。 SOPC技术将CPU、存储器、I/O接口等系统设计所必须的模块集成在一片FPGA上,是一种新的系统设计技术。这种设计方式,具有开发周期短、设计灵活、可裁减、可扩充、可升级、软硬件在系统可编程的功能,特别适用于复杂系统的设计。 本文给出了一种基于SOPC的数据采集与处理系统的设计方案。系统用24位模数转换芯片实现多通道地震数据前端采集;利用FPGA的可并行及高速运算特点,用FPGA代替传统的DSP芯片,设计并行的数据信号同步处理,以提高系统的实时性和同步性。该系统成功地应用到矿井地震勘探中,得到良好的效果。 1　系统硬件实现 数据采集与处理系统主要是对数据的采集以及对得到数据的处理,本系统采用SOPC技术,以软核处理器N IOS II为控制核心,NIOSCPU和各IP模块之间通过Avalon片上总线相连。系统原理图见图1所示。系统主要由四个硬件模块构成:数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和数据通讯模块。数据采集模块主要用24位高精度A /D芯片进行地震数据采集; 数据处理模块主要用FPGA实现各DSP算法; 数据存储模块采用SDRAM实现;数据通讯模块采用RS232串口通讯,负责把数据上传到上位机上显示。 图1　系统原理图 1. 1　NIOS II CPU Nios II系列软核处理器是Altera的第二代FP2GA嵌入式处理器,是一个用户可配置的通用Risc嵌入式处理器,扩展了目前世界上最流行的软核嵌入式处理器的性能。用户可以从三种处理器(快速、标准、经济)以及超过60个的IP核中选择所需要的,NiosII系统为用户提供了最基本的多功能性,设计师可以以此来创建一个最适合他们需求的嵌入式系统。本设计采用的是标准型的NIOS IICPU,并调用了SDRAM 控制器和异步串口URAT (RS_232 Serial port)等接口IP。 1. 2　数据采集模块 数据采集模块采用多通道同步采集,其基本原理如图2所示: 4通道同步采集,每个通道由信号前端调理电路、模数转换采样电路及A /D接口构成。 对采集信号的调理,主要是针对信号的滤波和信号放大处理:地震检波器采集来相关数据后,使用无源低通滤波器去除高频无用信号,以防止后续数字滤波产生频谱混叠;使用高速反馈放大器OPA1632D实现对输入模拟数据的放大。对于采样电路,使用24位的A /D7766芯片,该芯片在以125 kHz输出数据速率工作时具有108 dB的动态范围,它比具有相同输出数据速率的同类器件高3 dB,其特别适合地震采集的低功耗和鉴别大信号中的微弱信号要求。1. 3　数据处理模块 SOC系统的一个重要思想就是IP复用,因此本文充分利用了ALTERA公司丰富的DSP IP核资源以提高产品开发效率,实现多通道数据的并行同步处理。 1. 3. 1　数字滤波模块 对于地震勘探来说,由检波器接收到的有效地震信号具备多频率特性。为了现场技术人员更好地了解地