基于FPGA器件實(shí)現(xiàn)高速智能節(jié)點(diǎn)的軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 概述

LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線（簡(jiǎn)稱 LON總線）是美國(guó) Echelon公司推出的局部操作網(wǎng)絡(luò)，為集散式監(jiān)控系統(tǒng)提供了很強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)手段，成為當(dāng)今流行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一。現(xiàn)在的測(cè)控系統(tǒng)中，連接在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即傳感器、變送器、執(zhí)行器等都不再是單功能的傳統(tǒng)儀表，而是具有數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、控制、計(jì)算、報(bào)警、診斷及數(shù)字通訊等功能的智能化設(shè)備（智能節(jié)點(diǎn)）連接在網(wǎng)絡(luò)上的各種智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備共享總線信道，進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交換，相互協(xié)調(diào)工作組成一個(gè)完整的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。LON總線技術(shù)使用開放式的通信協(xié)議 LonTalk，為設(shè)備之間交換控制狀態(tài)信息建立了一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)并，在硬件芯片的支持下實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性和接口的直觀、簡(jiǎn)潔的現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用要求。在 LON總線技術(shù)中所有節(jié)點(diǎn)都包括一個(gè)用以實(shí)現(xiàn)通信管理、輸入、輸出和控制等功能的神經(jīng)元芯片（Neuron Chip）-- LON總線技術(shù)的核心，它不僅是 LON總線的通信處理器，也是數(shù)據(jù)采集和控制的通用處理器， LON總線技術(shù)中所有網(wǎng)絡(luò)的操作實(shí)際上都是通過(guò)它來(lái)完成的。因此網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn) LON總線技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵所在。

2 智能節(jié)點(diǎn)開發(fā)的一般方法

智能節(jié)點(diǎn)是控制網(wǎng)絡(luò)中分布在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的基本智能單元，主要用于接受和處理來(lái)自傳感器的輸入數(shù)據(jù)，執(zhí)行通信和控制任務(wù)以及控制執(zhí)行起操作等。智能節(jié)點(diǎn)中的核心技術(shù)是 LONTALK協(xié)議和神經(jīng)元芯片。智能節(jié)點(diǎn)的開發(fā)分為兩類：一類是利用神經(jīng)元芯片完成所有的工作（包括通信和用戶應(yīng)用程序），節(jié)點(diǎn)中不再包含其他處理器。這類智能節(jié)點(diǎn)成為基于神經(jīng)元芯片的節(jié)點(diǎn)。另一類是只利用神經(jīng)元芯片完成通信工作，而用戶的應(yīng)用程序由其他的處理器（如微處理器、微控制器或PC機(jī)來(lái)完成）這種智能節(jié)點(diǎn)成為基于主機(jī)的節(jié)點(diǎn)。

（1） 以Neuron芯片為核心的控制節(jié)點(diǎn)圖1為以Neuron芯片為核心的控制節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖。神經(jīng)元芯片是一組復(fù)雜的 VLSI器件，通過(guò)獨(dú)特的硬件固件相結(jié)合技術(shù)，使一個(gè) Neuron芯片幾乎包含一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的大部分功能若加上收發(fā)器就可以構(gòu)成一個(gè)典型的現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)。此設(shè)計(jì)方法由于Neuron芯片是8位總線，目前只支持最高主頻是10MHz，因此它能完成的功能也十分有限，對(duì)于一些復(fù)雜的控制如帶有PID算法的單回路多回路的控制就顯得力不從心。且其片載操作系統(tǒng)基于一種巡檢機(jī)制，不太適合于實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的控制節(jié)點(diǎn)。

（2） 采用MIP結(jié)構(gòu)的控制節(jié)點(diǎn)

圖2為Host Base結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)框圖。鑒于方法（ 1）的缺點(diǎn)，采用 MIP結(jié)構(gòu)是解決這一問(wèn)題的好辦法，將 Neuron芯片作為通信協(xié)處理器，用高級(jí)主機(jī)（上位管理機(jī)）的資源來(lái)完成復(fù)雜的測(cè)控功能。

對(duì)于這種方法，由于高級(jí)主機(jī)（上位管理機(jī)）和各智能節(jié)點(diǎn)間，屬于多對(duì)一通信，當(dāng)節(jié)點(diǎn)增多時(shí)，容易引起網(wǎng)絡(luò)的阻塞，且一旦發(fā)生網(wǎng)絡(luò)阻塞，網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸效率將顯著降低。

此外，現(xiàn)有大多 LON網(wǎng)絡(luò)的智能節(jié)點(diǎn)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用單片機(jī)或 DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）作為 CPU，控制 ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）、存儲(chǔ)器和其他外圍電路的工作。但是單片機(jī)的時(shí)鐘頻率較低，難以適應(yīng)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，而 DSP雖然可以實(shí)現(xiàn)較高速的數(shù)據(jù)采集，但其速度提高的同時(shí)也提高了系統(tǒng)的成本。FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）有單片機(jī)和 DSP無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：時(shí)鐘頻率高，內(nèi)部時(shí)延小；全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高；組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。 3高速智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

3.1高速智能節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該高速智能節(jié)點(diǎn)是基于 FPGA架構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)的。 FPGA是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心和數(shù)據(jù)交換橋梁，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)底層的信號(hào)快速預(yù)處理，在很多信號(hào)處理系統(tǒng)中，底層的信號(hào)預(yù)處理算法要處理的數(shù)據(jù)量很大，對(duì)處理速度要求很高，但算法結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，適于用FPGA進(jìn)行硬件編程實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。

整個(gè)高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的主要硬件構(gòu)成為：

1）ACEX1K系列EP1K30TC144-3：主處理器，是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心和數(shù)據(jù)處理中心，特點(diǎn)是電路連接I/O口多，速度快；

2）AD9288：實(shí)現(xiàn)4路8位采樣，最高采樣頻率為 100 MSPS，適合應(yīng)用與高速信號(hào)測(cè)量?jī)x器；；

3）Neuron芯片：通信協(xié)處理器，負(fù)責(zé)通信功能

4）雙口RAM：主處理器與通信協(xié)處理器的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；

5）收發(fā)器FTT-10A：將數(shù)據(jù)傳遞至 LON總線。

在控制臺(tái)發(fā)出采集指令或定時(shí)器的作用下，模擬輸入經(jīng)AD采樣進(jìn)入FPGA，經(jīng)過(guò)FPGA里的信號(hào)處理模塊和算法處理后存入RAM，經(jīng)Neuron芯片讀出至 LON網(wǎng)絡(luò)。

3.2高速智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)包括：數(shù)據(jù)采集和控制。

1）數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集當(dāng)上位機(jī)發(fā)出采集數(shù)據(jù)指令后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量送到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，然后控制外部傳感器執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集指令，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換送到神經(jīng)元芯片，再經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量傳遞，經(jīng) LNS DDE 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)連接傳遞給監(jiān)控軟件，并進(jìn)行圖形化顯示給操作者。這一流程可以不斷循環(huán)進(jìn)行，直到滿足所有條件為止。這一部分的總體流程如圖 4所示。

數(shù)據(jù)采集部分核心軟件：本部分的主要功能是將采集到的模擬信號(hào)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換、濾波及多路開關(guān)后分成 8 路信號(hào)，再進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，經(jīng)過(guò)加工處理后，送至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)改寫其中的網(wǎng)絡(luò)變量的值。

2）控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件主要是負(fù)責(zé)對(duì)底層設(shè)備的控制。當(dāng)控制中心在監(jiān)控軟件下發(fā)出控制指令，經(jīng) DDE 傳遞給 LonWorks 網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量送到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，在經(jīng)過(guò) D/A轉(zhuǎn)換，底層設(shè)備接收后開始數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行檢測(cè)是否有下一個(gè)控制指令。這一流程也是可不斷循環(huán)直到滿足所有條件為止。這一部分的總體流程如圖 5所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 輸入一正弦波，周期為1s，得到如圖6示結(jié)果：

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)成功的實(shí)現(xiàn)了利用FPGA芯片作為L(zhǎng)ON網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)點(diǎn)的主處理器，并且采用雙口RAM實(shí)現(xiàn)了主處理器與NEURON芯片之間的數(shù)據(jù)傳遞。本系統(tǒng)適合大多數(shù)數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合，能達(dá)到通用和高速的目的。

采用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)可縮短開發(fā)生產(chǎn)周期，而且現(xiàn)場(chǎng)靈活性好，它不但包括了 MCU這一特點(diǎn)，而且可觸及硅片電路的物理界限，并兼有串、并行工作方式，高速、高可靠性以及寬口徑適用性等諸多方面的特點(diǎn)。因此，利用基于 FPGA的LON網(wǎng)絡(luò)的高速智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際意義和價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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本文的創(chuàng)新點(diǎn)：

一是利用FPGA芯片作為L(zhǎng)ON網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)點(diǎn)的主處理器，用于控制數(shù)據(jù)采集和處理，使得設(shè)計(jì)開發(fā)周期短，而且現(xiàn)場(chǎng)靈活性好，NEURON芯片作用為通信協(xié)處理器，并且采用了高速ADC，克服了現(xiàn)在大多數(shù)智能節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用中處理能力和采集速度方面的不足，而且降低了成本；

二是利用雙口RAM作為主處理器（FPGA芯片）和通信協(xié)處理器（NEURON芯片）的接口，不需要進(jìn)行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換而使采集數(shù)據(jù)直接送入LON網(wǎng)絡(luò)，而且保證了接口的高速數(shù)據(jù)傳送。

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