基于FPGA的仿真系统数据采集控制器IP核设计

基于FPGA的仿真系统数据采集控制器IP核设计

现代模拟仿真技术[1]广泛应用在系统设计、系统分析以及教育训练中。在模拟过程中，存在大量向前端模拟装置或仿真模块发送指令数据，以及从模拟工作设备上读取状态参量的情况。在对大型工业设备和系统进行模拟仿真时，数据采集控制的复杂程度愈加恶劣[2]。通过改进数据采集控制器的结构，提高数据采集控制器的自动化和集成化程度，可以有效地提高大型模拟仿真设备数据采集和控制的效率。

　　FPGA及SoPC技术的发展为此提供了新的解决方案。IP核(IP Core)是具有特定电路功能的硬件描述语言程序，可较方便地进行修改和定制，以提高设计效率[3]。本文研究了基于FPGA的数据采集控制器IP 核的设计方案和实现方法，该IP核既可以应用在独立IC芯片上，还可作为合成系统的子模块直接调用，实现IP核的复用。

　　1 系统结构

　　数据采集控制器主要分为发送机制和接收机制两部分。在传统的模拟仿真系统[4]中，发送机制负责将模拟仿真系统主机控制程序模拟运算的数据传给事先定义的变量，通过专用接口卡将其放在绝对内存地址单元中，再借助智能双端口的工控机将数据发至前端，以驱动前端设备(如仪表、显示灯等)进行显示，或使前端设备(如开关、阀门、步进电机等)进行动作；接收机制与之相反，即实时地将从前端工控机采集的模拟设备的动作量和状态量(包括模拟实际情况的温度量、压力量等)读到计算机内存地址单元中，并通过专写程序把这些变量值转换成主控程序所需要的数据。

　　前端设备种类繁多，因此实际中需有针对性地进行设计，以实现工控机对前端设备的控制。此外，工控机与主机之间还必须通过专用接口进行通信，如图1所示。其结构复杂，不利于设计和调试，同时降低了模拟仿真系统的实时性和效率。

　　本文设计的IP 核将传统结构中工控机和接口卡两级的数据采集控制系统结合起来，设计了一个集成的控制器，由其完全承担主机与前端设备的数据交换与通信任务。这样，主机仅负责对整个系统的监控以及对模拟仿真模型的规格运算，而不再分出资源来管理前端模拟设备的控制和数据采集，从而降低了系统的复杂度。结构如图2所示。