1 可重構測控系統(tǒng)的提出
    測控系統(tǒng)一般是指基于計算機實現數據采集和控制的系統(tǒng)。測控系統(tǒng)在工業(yè)現場控制、家庭數字化管理、通信和網絡等方面應用廣泛，并不斷向低成本、高速、高性能、智能化、開放化方向邁進。但現代測控系統(tǒng)在設計和應用中仍然面臨不少的難題：
    ①設計速度難以適應產品更新換代的快速變化。一般測控系統(tǒng)的設計都是針對某個特定的任務，從設計到投入使用的周期至少1～2年，甚至長達4～5年。因此，在設計階段堪稱先進的方案往往在投入使用伊始就已落后了。
    ②設計方案功能固定，通用性差，難以滿足不同層次、不斷變化的用戶需求。測控系統(tǒng)設計針對具體用戶，配置各異，通用性較差。如何滿足不同用戶、不同層次的需要，尤其是多任務用戶需要是一大難題。
    ③虛擬儀器技術的應用使得軟件重構成為可能，但是達到還難以達到硬件重構和“即插即用”的效果。
    因此，研究一種軟硬件可重構、開放化、普適性的測控系統(tǒng)，對于實現測控系統(tǒng)的快速、開放式設計，降低用戶使用成本具有很高的應用價值。本文基于現代測控系統(tǒng)的通用化結構特征和可重構的現場可編程門陣列FPGA技術的發(fā)展，提出一種可重構測控系統(tǒng)(Reconfigurable Mo—nitoring System，RMS)的設計構想，并給出其應用實例。
1．1 測控系統(tǒng)的結構模式和多任務特征
    隨著計算機軟硬件技術和測控技術的不斷深入融合，現代測控系統(tǒng)在結構上呈現出通用化特征，即“系統(tǒng)前端(信息的數據采集(A／D))+數字信號處理(DSP)+系統(tǒng)后端(輸出(D／A)及顯示)”的模式。這種清晰的、通用化的結構模式為用戶實現測控系統(tǒng)的自組織、重定義和再利用創(chuàng)造了條件。
    現代測控系統(tǒng)一般都具備多任務性，即系統(tǒng)需要同時完成幾個單獨的空間相關的(并行性)任務，或順序完成幾個時間相關的(順序性)任務。傳統(tǒng)的多任務設計方法，是通過增加硬件的數量，或加大軟件的控制功能來實現多任務性。一方面，增加了工程設計、調試的難度和成本，使得應用系統(tǒng)越來越龐大、復雜；另一方面，電路和軟件的復雜帶給用戶眾多的麻煩?？芍貥嫾夹g的出現為解決多任務問題提供了新的思路。
1．2 可重構技術與可重構器件
    可重構技術是21世紀初以來信息技術的研究熱點，是一種可以根據系統(tǒng)功能變化的需要重組自身資源，實現軟硬件結構自我優(yōu)化、自我生成的計算機技術?？芍貥嫾夹g包括硬件重構和軟件重構兩個方面。根據應用任務的需要進行軟件重構，在傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計中已普遍存在，而硬件重構(指系統(tǒng)的硬件邏輯結構發(fā)生改變)則是傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計無法實現的?？芍貥嫾夹g的廣泛應用必須以提供可編程資源的可重構硬件為物質基礎。
    隨著微電子技術的不斷發(fā)展，20世紀末出現的可編程邏輯器件(PLD)和可編程模擬器件(PAD)為測控系統(tǒng)的功能重構提供了硬件基礎?？芍貥嬈骷饕ㄒ韵聨追N：
    (1)可重構邏輯器件FPGA
    FPGA的可編程器件是基于SRAM的，可以快速地重新編程，即所謂“現場可編程”。這一特性使FPGA獲得廣泛應用，并成為可重構測控系統(tǒng)發(fā)展的持續(xù)驅動力量。FPGA是構建可重構測控系統(tǒng)必不可少的關鍵器件。
    (2)可重構模擬器件
    可編程模擬器件(PAD)既屬于模擬集成電路，具有信號調理、模擬計算、中高頻應用等典型功能；又同PLD器件一樣，可由用戶通過現場編程和配置來改變其內部連接和元件參數，從而獲得所需要的電路功能。配合相應的開發(fā)工具，其設計和使用均可以像PLD一樣方便、靈活和快捷。例如Lattice公司的可編程模擬芯片ispPAC30內含4個輸入儀表放大器、2個獨立的內部可控參考源和2個增強型DAC，提供了系統(tǒng)與測控對象的模擬接口，可用于連接模擬輸入，實現系統(tǒng)的數據采集功能；利用其可編程功能，可針對不同應用重構其功能。但相對于可編程邏輯器件，可編程模擬器件問世較晚，品種偏少，還不能作為主流的可重構器件。
    (3)可重構DSP器件
    DSP器件適用于計算密集、算法復雜、并發(fā)性和實時性要求突出的場合，如帶有智能邏輯的消費類產品、生物信息識別終端、帶有加解密算法的鍵盤、ADSL接入、實時語音壓解、虛擬現實顯示等。這類智能化算法一般運算量較大，特別是向量運算、指針、線性尋址等較多，這些正是DSP處理器的長處所在。但常規(guī)的DSP無硬件重構功能，而支持DSP器件硬件重構的技術尚在研發(fā)中，難以投入大規(guī)模的應用。當然，可以通過傳統(tǒng)的軟件重構設計實現DSP功能重定義，但這不是我們在此討論的內容。一種實現可重構DSP器件的實用方法是利用FPGA器件實現可重構的DSP功能(如參考文獻)，其實質是以可重構的FPGA器件為基礎實現DSP功能的重構。
    綜上所述，FPGA器件的現場可編程特征成為可重構技術應用的關鍵，為可重構測控系統(tǒng)的設計提供了可行性。RMS就是以可重構器件構建系統(tǒng)硬件平臺，并在軟件平臺控制下產生不同的重載數據流來改變FPGA形成的硬件結構，以滿足不同任務要求。其實質是一種軟硬件協(xié)同設計技術。

[!--empirenews.page--]2 基于FPGA的RMS的設計
2．1 基于FPGA的RMS的設計原則
    進行可重構測試系統(tǒng)的設計應遵循以下基本原則：
    (1)接口標準化
    在測控系統(tǒng)的接口設計上，盡量采用開放式、標準化體系的接口標準，例如采用通用的讀寫、控制總線結構、標準的伺服驅動接口等。
    (2)功能實現模塊化
    RMS的軟件和硬件設計均采用模塊化的設計思想。依功能進行模塊劃分，合理分配給FPGA器件和DSP器件。對于FPGA器件的功能，采用硬件描述語言進行邏輯描述，經功能設計、時序仿真、電路測試、模塊封裝，制作成專門的測控IP，供設計平臺調用。
    (3)系統(tǒng)集成化、開放化
    將自己開發(fā)的測控IP和從其他IP供應商處購買到的標準IP，利用專門的綜合軟件集成為測控系統(tǒng)。還可以通過裁剪和重整不同的IP來改變設計，達到既能實現功能定制、滿足目前測控要求，又具有開放性、能適應未來功能擴展的目標。
    (4)根據系統(tǒng)規(guī)模靈活選用主控制器
    作為RMS的核心，可重構主控制器是體現RMS規(guī)模和功能不同的關鍵器件。可以根據測控對象的需要靈活選擇其實現器件及功能模塊，以實現功能和造價的合理平衡?？梢赃x用低成本的FPGA方案，以有限狀態(tài)機(FSM)模式完成功能設計，以JTAG被動串行方式下載實現靜態(tài)重構，用于簡單、低速的數據采集；也可以選用高性能的SOPC方案，實現可動態(tài)重構，以滿足高速、復雜數據處理的需要。
    (5)嵌入式特征
    RMS具有功能可裁剪、結構重定義和軟硬件協(xié)同設計特征，是典型的嵌入式系統(tǒng)。
2．2 基于FPGA的RMS的結構與設計
    RMS可以視為一個通用的測控設計平臺，其硬件基本結構如圖1所示。

    該測控系統(tǒng)由主控計算機和相對獨立的基于FPGA器件的測控系統(tǒng)兩大部分，通過通信接口連接而成。主控計算機主要實現人機對話功能，包括測試數據的處理、顯示及儀器軟面板的控制，可以利用虛擬儀器技術實現?；贔PGA器件的測控系統(tǒng)包括數據采集與輸出控制單元、FPGA單元和DSP單元，3個單元均有可重構功能，并接受主控制器單元的控制。基本功能塊是指作為計算機系統(tǒng)通用的不可或缺的電源、系統(tǒng)監(jiān)控模塊及存儲器模塊。
2．2．1 可重構數據采集與輸出控制單元
    該單元作為RMS的前向、后向通道與被測控對象直接相連。其中的信號調理電路可以設計成通用形式，并根據測控對象的數量、量程、模擬／數字類型、濾波參數等進行重定義和調整。例如可以采用可重構PAD器件直接與模擬測試對象相連，并由主控計算機完成設計、仿真、測試，通過主控制器單元實現重構。
2．2．2 可重構FPGA單元和可重構DSP單元
    FPGA單元和DSP單元的功能可以預先根據實際測試對象的需要進行合理劃分，并在主控計算機上以IP核的方式完成設計、仿真、測試和整合的全過程，最后的配置數據流文件預先存放于相應的配置存儲器中(一般為SRAM或Flash存儲器)。這種靜態(tài)重構方式適用于對配置實時性要求不太高的一般場合，選用基于SRAM的FPGA器件和通用DSP即可。如果對配置切換的實時性要求較高，則可以選用特定的適于動態(tài)配置的FPGA器件，但成本要高昂得多。
2．2．3 可重構主控制器
    主控制器單元是實現可重構功能的關鍵部分，它既是測控系統(tǒng)與主控計算機數據傳遞的通道，又是數據采集與輸出控制單元、FPGA單元和DSP單元的控制中樞。在系統(tǒng)重構模式下，它接收主控計算機的重構指令和數據，對FPGA和DSP的配置存儲器進行在線編程；在正常測控模式下，主控制器從FPGA和DSP獲得采集和處理的數據，并送主控計算機處理。
    主控制器的設計可以根據系統(tǒng)規(guī)模合理選擇，可以采用通用MCU(如51系列單片機)、嵌入式SoC(如ARM)；也可利用FPGA器件實現，例如選用A1tera公司的Nios軟處理器核基于SOPC方法進行設計。
[!--empirenews.page--]2．2．4 通信結構
    RMS通信結構的選擇對系統(tǒng)的工作速度、實時性以及成本來說至關重要。
    從通用性角度考慮，RMS的通信結構可以根據系統(tǒng)規(guī)模的需要選擇不同的形式。大型測控系統(tǒng)可以選用專用測控總線(如GPIB、CPI、CPCI等)，以標準化、模塊化插卡形式與主控計算機相連；小型系統(tǒng)則可以根據需要選用通用總線(如RS232、UART、USB、CAN總線)，有選擇地添加可編程I／O口、ZigBee無線通信接口、TCP／IP協(xié)議、以太網接口等通信、網絡擴展接口，以滿足無線通信和網絡測控功能擴展的需要。不論規(guī)模大小，接口類型各異，都可用IP模塊的形式進行設計并配置到FPGA器件上，以滿足不同應用需要。
    值得注意的是，測控系統(tǒng)的通信結構設計不僅要包括系統(tǒng)總線的設計，還包括FPGA片內通信結構的設計。典型的可重構FPGA片內通信結構通常有片上總線和片上網絡兩種策略。片上網絡結構雖能較好地體現結構參數要求，但面積花費巨大；而片上總線結構憑借靈活性高、可延展、設計開銷小、帶寬要求較低、時延較短等優(yōu)點，成為RMS的首選。考慮到FPGA的配置需要，在通信模塊、主控制器模塊和FPGA器件內都應設計相應的JTAG接口，以滿足數據流配置和在線測試的需要。
2．2．5 軟件重構
    軟件重構是作為軟硬件協(xié)同設計實現的測控系統(tǒng)重構的必要內容。傳統(tǒng)的測控軟件常常是針對具體的測控、對象和硬件資源設計的，從而限制了不同型號、不同廠家、不同硬件接口的測控器件的使用。為實現測控系統(tǒng)的軟件重構，應打破傳統(tǒng)測控軟件的設計思路，采用“基于程序框架和可復用構件”的軟件復用思路”。如圖2所示，將測控軟件劃分為測控軟件平臺和測控驅動程序兩部分，其間通過軟件平臺提供的軟件接口來實現動態(tài)鏈接。測控軟件平臺主要實現主控計算機功能的控制，以及主控計算機與測控系統(tǒng)的驅動程序之間的數據通信。

    測控終端應用軟件的可重構、可識別包含兩個方面：其一，測控軟件平臺的可重構，即不同測控應用的軟件平臺能夠識別相同的控制指令，準確完成主控計算機分配的測控任務；其二，測控驅動程序的可重構，即各種不同類型的測量、控制應用的驅動程序可以動態(tài)鏈接到軟件平臺上，實現“熱拔插”。
    測控軟件的重構平臺有多種選擇：可以是專用的基于圖形化GUI的虛擬儀器軟件，如Labview(通過CLF節(jié)點實現與儀器驅動程序的接口，儀器驅動程序以動態(tài)鏈接庫的形式給出，將與儀器有關的I／0操作都封裝成函數，并通過訪問USB或其他接口驅動實現數據的輸入、輸出)；也可以采用通用的可視化軟件編程環(huán)境，如VB、VC等。對于小型、較簡單的測控系統(tǒng)，推薦選用圖形化、高效的Labview。

3 基于CPCI總線的RMS的實現
    下面給出的實例是應用于雷達信號實時偵測的基于CPCI總線的RMS。傳統(tǒng)的雷達偵測，由于信號特征和處理方式不同，需要研制多種獨立的偵測卡(如脈沖雷達偵測卡、連續(xù)波雷達偵測卡、敵我識別信號偵測卡等十幾種設備)及對應測控軟件。采用通用的硬件平臺，由1個CPCI工業(yè)控制計算機和2塊CPCI可重構硬件電路板卡構成，根據不同種類的雷達信號分別進行FPGA和DSP的設計，并將配置文件存儲在計算機中。實際工作時，針對不同的雷達信號，通過應用軟件選擇對應的軟硬件配置文件進行動態(tài)可重構，達到了小型化、通用化和軟硬件可重構化的效果，研發(fā)成本節(jié)約近70％，并縮短50％的開發(fā)周期。圖3為該系統(tǒng)的硬件框圖。
    圖3中，核心器件——可重構主控制器EP2$30是通過可重構FPGA和DSP器件來連接信號采集與控制處理輸出部分，實現測控功能的控制中心通過CPCI總線與主控計算機進行數據交換的通道?；赟OPC的設計思想．使用Altera公司的NiosII處理器IP軟核及外圍邏輯編程實現主控制器功能。主控制器與CPCI控制器通過PCI局部總線交換指令和數據，通過自定義總線和DSP總線與FPGA和DSP交換采集和輸出數據。在系統(tǒng)重構模式下，主控制器通過CPCI控制器接收主機的重構指令和數據，對FPGA的配置存儲器和DSP的程序存儲器進行在線編程；同時也可以直接對FPGA進行在線并行加載，完成系統(tǒng)的硬件重構。在系統(tǒng)正常工作模式下，主控制器把從采集部分獲得的實時數據通過CPCI總線傳輸給主控計算機，或送往DSP進行數據處理并控制輸出。

    對于數據采集模塊和控制輸出模塊，“可重構”的含義是指其模塊組成可以根據測控需要進行裁剪，例如可選用PAD模塊、基于FPGA實現的電動機轉速控制模塊、步進電機控制模塊等。

結 語
    本文根據測控系統(tǒng)的通用結構模型和FPGA的可重構功能特點，提出了一種基于FPGA器件，針對嵌入式應用有效縮短開發(fā)周期和設計與應用成本，滿足并行性、多任務、開放化和集成化要求的RMS的平臺式設計思想，實現了測控系統(tǒng)“只能由廠家定義、設計，用戶只能使用”模式和“單任務”模式的突破。RMS技術在工業(yè)現場控制、城市市政管理、智能樓宇監(jiān)控、智能家居等領域應用前景廣闊，在遠程重構和網絡測控方面亦有研究價值。