一种基于DSP+FPGA的控制系统方案设计

　一、前言
   　　本文提到的控制系统控制通信设备的正常工作，是整个通信设备的重要组成部分。该控制系统要实现的功能为: 接收外来的信息、实时采集输入的信号,控制设备的工作状态、参数、频率、电压及完成设备的故障检测等；要求具备大量的通信功能和复杂的管理控制功能，且具备实时性、准确性。
   　　原来普遍采用单片机加外围器件来完成这些功能，需要大量的外部电路,增加了系统成本，也增加了系统的复杂性，系统的可靠性也会受一定的影响。
   　　本文所提出的基于DSP+FPGA的控制系统方案，利用FPGA的容量大、可编程实现很多功能，结合DSP具有高速的信息处理能力的特点,使得本控制系统非常简洁，结构灵活，通用性强,系统也易于维护和扩展。该方案基于软件无线电的思想，是采用通用平台的设计。
   　　二、硬件设计
   　　系统硬件组成如图1所示。
   
   　　该硬件平台由DSP、FPGA、A/D、D/A、密钥存储单元、实时钟、接口电路及程序存储器组成。各关键部分的主要功能为：
   　　（1）DSP：参数的处理、数据的分帧、组帧、编码、通过中断实时监控各种输入信号等；
   　　（2）FPGA：总线控制、通信接口、数据采集、整形、组合逻辑生成、时钟信号产生等；
   　　（3）密钥存储单元：具有EEPROM特性，掉电保护各种参数。
   　　主要器件的选型如下。
   　　（1）DSP器件
   　　所选用的TI公司的TMS320LF2407是一种低价格、高性能的DSP芯片，其控制能力强，同时具有较高的运算能力，能够满足系统对微处理器的要求，从而实现较强的通信功能和复杂的管理控制功能。
   　　（2） FPGA 器件
   　　选用XILINX公司的XCV100:
   　　（1）其资源为10万门；
   　　（2）工作频率最高可达200M；
   　　（3）I/O端口多，端口功能可编程自定义；
   　　（4）内核采用2.5 V供电，端口供电电压为3.3 V，可直接与TMS320LF2407接口；　　
          （5）同样封装的FPGA,其资源可达100万门,有利于系统的升级。
   　　三、软件设计
   　　系统对软件的设计提出了较高的要求，因此，笔者完全采用VＨＤＬ和C语言来编写系统内部执行软件。
   　　1 DSP的软件设计
   　　DSP软件设计在CCS2000的开发系统下用C语言设计， DSP软件采用自顶向下的设计思路，按功能划分软件模块，使程序组成模块化，主要由如图2所示的几个模块组成。
   
   　　其中总线控制模块和通信模块是2个主要的软件模块。
   　　总线控制模块的工作流程如图3所示，通信模块的工作流程如图4所示。
   
   
   
   　　2?FPGA的软件设计
   　　FPGA在XILINX的软件开发系统下，用VHDL语言设计，主要实现以下功能：
   　　（1） 总线控制的实现
   　　本控制统要控制大量的分离信号、大量的参数及系统的工作参数、电压值，完成故障信息的采集、综合和上报。要求用简单、易控的串行同步通信总线控制方式（为RS-485总线接口）。总线控制的原理框图如图5所示。
   
   　　总线按位串行，双向同步方式传输信号；只由5条信号线组成：2条差分时钟线CLK+和CLK-，2条差分数据线DATA+和DATA-，一条地线GND。发送时，数据的缓存、转换及数据在时钟作用下按位串行传输；接收时，数据的同步、缓存、转换及接收中断的产生，都用VHDL语言在FPGA中实现。
   　　（2）通信接口的实现
   　　本控制系统对内、对外通信接口较多：与上方系统控制命令接口、与上方系统数据接口、设备内数据接口等。这些接口采用异步串行通信方式(SCI)通信。 FPGA内异步串口设计的原理如图6所示。
   
   　　这里充分利用FPGA的硬件可编程性，把要扩展多个异步串口，用VHDL语言在FPGA里实现,使系统硬件平台简单,而且能灵活设置波特率和通信方式。?
   　　（3） 状态采集的实现
   　　有些信号是需要控制系统实时处理的，通过FPGA的采集、整形，在信号的上升和下降沿产生一定宽度的脉冲，作为DSP的中断信号。DSP在中断程序中实时读取信号的状态，控制设备工作在新的状态。
   　　四、结束语
   　　目前，DSP速度越来越快，成本越来越低，FPGA 的容量越来越大，封装越来越小，使得DSP+FPGA 组成的系统成为解决系统设计的重要选择方案之一。本文介绍了一种基于DSP+FPGA的控制系统设计方案，由该设计方案实现的控制系统完全达到了技术指标要求，系统工作稳定可靠。而它提供的硬件平台对于系统的升级和功能扩展非常有利，对于控制系统来讲具有较好的通用性。