基于SoPC的状态监测装置的嵌入式软硬件协同设计与实现

ntor Graphics公司的ModelSim 6．3g。下面是一些具体的仿真结果以及和Matlab仿真的对比。

　　在Matlab中产生一个正弦信号，并做4 096点FFT，计算结果如图2所示。

　　图3是FFT工作的时序图，可以看到在选择了基-2（Radix-2）算法简化版，突发输入输出模式后，4 096点FFT的计算时间为533．24 μs，较软件算法快很多，从而使系统能胜任大数据量（84路16位数据）高分辨率（4 096点）信号分析。

　　
图3 FFT分析仿真结果

　　图2和图3是对模拟数据进行Matlab仿真和ModelSim仿真二者结果的比较，可以看到原始计算结果有一定的误差，归一化后完全一致，产生误差的主要原因是在Matlab中的FFT是浮点数计算，而在FPGA中的FFT选择的是定点数计算。仿真结果表明此模块可以完成信号分析的功能，且分析结果达到较高精度。

　　3 装置软件设计

　　装置的软件结构如图4所示，主要由以下几个部分组成：嵌入式Linux操作系统、设备驱动程序（SJ90Dry．o）、数据采集控制与处理程序（SJ90IOAcc）、系统组态配置与监视分析程序（SJ90Logo）、通信接口程序（SJ90Comm）、CAN网驱动和I2C驱动。

　　
图4 SJ-90B软件结构图

　　其中：

　　（1）嵌入式Linux操作系统：主要负责进程管理、进程间通信、内存管理、实现文件系统、提供I／O接口及对其他资源进行管理；

　　（2）设备驱动程序（SJ90Dry．o）：运行于系统内核空间，将缓存的存贮空间映射为字符设备，响应设备中断，建立采集数据交换缓冲存贮，提供用户程序与操作系统的接口，完成用户空间和内核空间的数据交换；

　　（3）数据采集控翻与处理程序（SJ90IOAcc）：主要负责建立共享内存，管理系统配置信息，实时数据，提供连续、自主的在线数据采集控制、信号处理、报警检测、历史数据存贮和故障录波存贮等功能，通过设备读写和NetLink通信接口与内核态设备驱动程序进行数据交换；

　　（4）系统组态配置与监视分析程序（SJ90Logo）：基于MiniGUI图形环境，提供可视化的系统参数配置（含机组、传感器、通道、测点信息配置等）功能，提供多种实时数据监视图表、历史趋势分析图表和时频振摆分析图表；

　　（5）数据通信接口程序（SJ90Comm）：实现本系统与其他系统的数据交换，系统提供串口和网络2种方式传送数据，支持的协议分别为MODB US_RTU和MODBUS_TCP；

　　（6）CAN网驱动和I2C驱动：运行于系统内核空间，提供用户程序与操作系统的接口，完成用户空间和内核空间的数据交换；CAN网驱动获取开关量以及慢变量信号；I2C驱动完成硬件点灯以及报警等功能。

　　4 结语

　　基于SoPC的软硬件协同设计在图像处理、无线通信、军事武器等场合已经有了较多应用，本文则将该设计方法应用于状态监测装置中，并通过该设计方法最大限度地提升和优化了该采集系统的性能。笔者认为该设计方法同样适合于电力行业中其他一些实时性强、运算量大、功能复杂的多路采集分析装置中，以该设计思路替代以往的CPU+DSP，CPU+FPGA等多处理器芯片的设计方法，可实现系统级优化设计。