基于SOPC的以太网远程数据采集系统设计

摘要：针对测控系统中设备分散，检测环境恶劣的情况，设计了一种基于SOPC的以太网远程数据采集系统。系统采样基于NiosⅡ软核的SOPC架构，以μC／OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统为软件运行平台，以LWIP为以太网通信协议，实现了远程数据采集和以太网传输及控制。整个系统在CycloneⅡEP2C35开发板上实现并通过验证，实验结果满足设计要求并具有较好的应用前景。
关键词：SOPC；以太网；NiosⅡ；LWIP；远程数据采集

在工业测控系统中，往往存在现场检测环境恶劣，设备分散，需要检测系统具有远程分布式数据采集功能，以实现设备的远程检测与监控。嵌入式以太网技术将以太网技术和嵌入式技术有机结合在一起，很好的满足这种需求。Ethernet与传统通讯接口相比，具有性价比高、传输距离远、分布运行等特点；SOPC是基于FPGA解决方案的SOC，是MCU、DSP、FPGA的有机结合，具有体积小、功耗低、可灵活配置等优点。利用SOPC以太网技术将SOPC嵌入式测量模块接入网络进行控制，使其实现PC机所具有的远近程测量控制和信息发布各项功能，让工作人员远离现场，仍可以对测量设备进行控制并获得测量数据。

1 系统总体设计
本系统采用FPGA+NiosⅡ的架构进行设计。系统主要有数据采集模块、FPGA模块、存储器模块、网络接口模块组成，系统总体结构如图1所示。首先将待测量经传感器转化为电信号，然后经前端信号调理，A／D转换写入FPGA片上FIFO，然后FPGA读出数据经信号恢复、FIR数字滤波后存入RAM中，最后通过Ethernet传输到上位机进行显示、诊断等处理。本方案可作为单独采集系统和一台计算机组成检测系统；也可加入路由器，一个采集模块与多台计算机相连实现数据共享，或者一台计算机与多个采集模块相连，实现分布式检测。

2 系统硬件设计
本设计采用的FPGA器件是Altera公司的Cyclone II系列EP2C35F672芯片。EP2C35内置35个18×18的硬件乘法器，有105个M4K RAM块，共483 840位。在FPGA基础上构建基于Nios II的SOPC系统，使用软硬件协同的方法对A／D转换器和网络传输芯片进行控制。存储器模块包括SRAM、SDRAM、Flash 3种类型的存储器。一片IDT71V416S256Kx16bits的SRAM，用作FPGA的缓存使用，存放运行的程序；一片A3V64S40ETP4 Mx16 bits的SDRAM，用来存储程序运行的中间数据；一片AMD29LV128M123R 16 MB的FLASH存储器，用来保存固化的程序和数据。为解决速率匹配、数据缓冲等问题，利用FPGA片上RAM资源设计8 k×16 bitsFIFO，将AD采样的数据进行缓存。