【正文】 份，即相位增量為 （410）由(49)和(410)兩式可得 （411）根據(jù)香濃采樣定理，必須有，則有。根據(jù)式（410），當不變時，改變輸出信號的頻率的方式有兩種： （1）在基準時鐘信號頻率確定的情況下，通過改變M的大小，就可以改變輸出正弦信號的頻率，M又稱頻率控制字；（2）在相位步增量M一定的情況下，通過改變基準頻率來改變信號的頻率，且二者呈線性關系。正弦信號的幅值就是當前相位值的函數(shù)，得到當前相位就可以計算當前幅值。但是由于正弦函數(shù)幅相關系為非線形函數(shù)，實時計算將會使計算單元有很大的時間開銷，一般通過查表的方法來快速獲得幅度值。廣泛使用的方法是通過定制ROM存儲器來存儲相位序列號所對應的幅值，然后輸入序列號對應地址來輸出幅值的方式解決幅相對應問題。圖4 18 直接數(shù)字信號合成功能實現(xiàn)模塊圖DDFS的功能構成如圖418所示，相位累加器對頻率控制字M以基頻速率累加，輸出N位地址地址至幅值查找表得代表幅值的Q位數(shù)值，經(jīng)D/A轉換后輸出帶有高頻分量的階梯正弦波，然后經(jīng)LPF平滑后輸出。 實現(xiàn)方法本設計選擇的DA和低通濾波芯片分別為TLC7226CN和MAX280。TLC7226是四通道八位快速AD，按供電電源不同其工作頻率也不同，但是總能達到兆級速度；MAX280是截止頻率外部可調的五階LPF。它們的控制方法和電路設計簡單，此處不做介紹。FPGA中的實現(xiàn)的是相位累加器部分和幅值查找表。本設計的ROM的存儲器地址N=幅值數(shù)據(jù)位Q=8，由于本模塊的設計的周期細分數(shù)為26=64份，當M增大時，信號的復現(xiàn)質量會有很大影響。所以本設計中取M=1，依靠改變基頻來改變頻率值。FPGA內(nèi)實現(xiàn)DDS的各模塊與A/D和LPF器件的實際連接如圖419所示。本模塊對60M工作頻率分頻獲得受控基頻，所以正弦信號輸出頻率為。設計正弦信號目標頻率范圍為5K~1HZ，則為320K~64HZ。FPGA中的設計難點是通過60M的工作頻率獲得320KHZ~64HZ頻率范圍內(nèi)變化的基頻。設計MAX280的低通濾波截止頻率為200KHZ。圖4 19 FPGA內(nèi)實現(xiàn)DDS的各模塊與A/D和LPF器件的連接如圖 小頻差寬頻域基頻信號發(fā)生的設計 上一節(jié)的實現(xiàn)難點是320KHZ~64HZ頻域內(nèi)連續(xù)的整數(shù)基頻率信號的生成模塊的設計。本系統(tǒng)對其設計采用一種首創(chuàng)的小頻差方法，設計原理如下： 設有兩個周期分別為和的信號，且，則有是的小數(shù)倍，對取整得整數(shù)，關系如式（412）所示， （412）、分別是兩信號的頻率值。當時，和之差，即小數(shù)部分，可以忽略不計，這就是“小頻差”的主要意詣，如圖420所示。圖4 20 小頻差方法原理圖利用這個原理可以實現(xiàn)基于填充法的準全頻域整數(shù)信號發(fā)生器，本模塊選擇為60MHZ，用以實現(xiàn)320K~64HZ頻率范圍的，的實現(xiàn)功能示意圖如圖421所示，其中是外部ADTLC7226CN的控制信號。圖4 21 基于小頻差原理的實現(xiàn)方法 實測結果 經(jīng)測試，60M的工作頻率下，可以實現(xiàn)基頻信號在 320KHZ~64HZ內(nèi)的連續(xù)生成，其目標值與輸出值之間的頻差小于3‰。在此基頻信號基礎上輸出5KHZ~1HZ正弦信號頻差也都在1‰，輸出正弦波由數(shù)字示波器測量如圖422所示，當輸入8K正弦波指令后，輸出的實際波形。圖4 22 信號發(fā)生模塊的實際測試示波器抓圖 數(shù)字信號處理模塊測控系統(tǒng)有性能很高的DSP作為測控卡的主控芯片，它雖然具有強大的數(shù)字信號處理能力，但是在兼顧流程控制、多任務協(xié)調及大量數(shù)據(jù)處理情況下就顯得力不從心了。QuartusII可以根據(jù)片上硬件資源，幫助開發(fā)者通過專用工具軟件DSP Builder設計有一定算法功能的FPGA片上數(shù)據(jù)處理器。因為數(shù)字信號處理算法的針對性很強，本模塊只是空出閑置資源而未加具體的算法邏輯，以便在日后的應用中設計實際的算法模塊。 CCS環(huán)境下DSP測控功能的實現(xiàn)上一節(jié)敘述了基于FPGA的各種功能的實現(xiàn)，F(xiàn)PGA作為DSP執(zhí)行測控任務的強大助手，其正常工作要靠DSP的合理控制，因此基于DSP的測控端通信程序的設計開發(fā)尤顯重要。CCS是TI公司為其DSP、ARM等高集成信息處理芯片設計的開發(fā)環(huán)境，利用CCS可以實現(xiàn)從代碼輸入、聯(lián)系硬件環(huán)境的編譯、可執(zhí)行文件的燒寫和硬件在線調試整個開發(fā)過程，同時還提供脫離硬件環(huán)境的軟件仿真功能。本系統(tǒng)DSP程序代碼設計采用應用廣泛的C語言[30]。 DSP程序流程系統(tǒng)上電后，DSP的初始化及測控程序流程如圖423所示。首先，DSP根據(jù)硬件設定的模式來進行自啟動，本系統(tǒng)將可執(zhí)行程序存放于片上FLASH中，所以通過BOOT ROM的導引將會進入FLASH程序空間，然后將程序搬移到片上RAM內(nèi)執(zhí)行。之后DSP進行非任務相關的初始化設置，包括看門狗、系統(tǒng)時鐘和XINTF通信接口等，保證DSP的基本通信功能。然后根據(jù)以太網(wǎng)模塊的外接情況判斷測控系統(tǒng)是測控卡單卡獨立運行還是多卡聯(lián)網(wǎng)運行。如果是獨立運行則直接進入下一步執(zhí)行與測控任務相關的功能化配置；如果是多卡聯(lián)網(wǎng)則還需要以太網(wǎng)通信模塊的初始設置，以太網(wǎng)通信初始化后，接受上位系統(tǒng)中心下達的測控任務，進行功能化配置。功能化配置即根據(jù)硬件功能對用到的DSP片上資源進行使能及配置，如各個外設的時鐘設定、相關GPIO的功能復用選擇、設置相關中斷等。圖4 23 DSP初始化流程然后，將測控功能細化為DSP自身職能部分和FPGA各功能模塊部分，對于FPGA的職能部分則根據(jù)預定義的命令協(xié)議對其進行任務下發(fā)。最后進入到測控任務執(zhí)行流程。 一種顯著提高DSP程序運行速度的方法DSP的程序的運行方式有兩種：①在線仿真調試方式，這種方式下程序代碼存放在DSP片上RAM里，由于其有很高的讀寫速度，所以指令執(zhí)行流水線在讀取指令上耗費的時間就非常小，可以獲得很高的執(zhí)行速度；②脫機獨立運行方式，這種方式程序代碼是燒寫在片上非易失存儲空間FLASH中，F(xiàn)LASH的讀速度比之RAM非常之慢，讀一次指令至少要等待5個SYSCLK，這就導致其指令執(zhí)行速度大打折扣。本系統(tǒng)利用一種DSP上電后將程序由FLASH轉移到RAM中運行的方式大大提高了其指令運行速度[42]。TI公司對其DSP產(chǎn)品都提供了其開發(fā)的工程模版，功能全面，條理清晰，通常DSP軟件開發(fā)工作都是在其基礎上嵌入自己的功能塊。為了實現(xiàn)程序的遷移，首先要對程序模板進行一些改動：將看門狗操作設置在程序遷移之前進行、添加代碼轉移函數(shù)、程序開始入口由主函數(shù)改為代碼轉移函數(shù)。.CMD文件負責對DSP片上的空間進行功能區(qū)的分配，指定各程序段的加載和運行空間，對可用的存儲空間可以實現(xiàn)靈活的功能劃分，程序代碼可以人為規(guī)定其加載空間和實際的執(zhí)行空間。要實現(xiàn)程序的搬移，合理分配各程序段的加載與執(zhí)行空間。完成以上設置后DSP的程序執(zhí)行流程將如圖424所示。圖4 24 程序遷移設置后程序執(zhí)行流程表4 6 不同程序存儲方式下同等運算規(guī)模所耗指令比較28+27+Sin()RAM13175FLASH679911如表46所示，分別測得程序存儲在FLASH和RAM里時，執(zhí)行三種運算所耗費的SYSCLK（150MHZ）。 以太網(wǎng)通信功能的實現(xiàn)作為監(jiān)測數(shù)據(jù)的上行起始端和控制命令的下行目的端，DSP可以直接操作以太網(wǎng)通信模塊與上位機進行通信，將大量實時測量數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)的高速特性送達上位機，在上位機通過相關應用軟件進行處理。在對片上相關寄存器進行初始設置之后，以太網(wǎng)通信模塊的操作和普通的存儲器類似，只要參考模塊性能進行數(shù)據(jù)讀寫通信即可。以太網(wǎng)通信模塊與DSP的連接如圖425所示。圖4 25 DSP與以太網(wǎng)通信模塊的連接圖在對通信模塊進行初始化設置之后，就可以通過以太網(wǎng)通信模塊進行基于TCP或者UDP協(xié)議的通信。TCP模式下，首先要根據(jù)IP地址和端口號與上位機建立套接字連接，然后通過套接字進行數(shù)據(jù)傳輸。當DSP通過以太網(wǎng)模塊與上位主機進行基于TCP協(xié)議的通信時，上位主機內(nèi)執(zhí)行TCP服務端程序，即上位機監(jiān)聽下位測控卡的連接請求，測控端采用TCP客戶端模式，DSP內(nèi)的程序流程如圖426所示。 圖4 26 DSP與上位機基于TCP協(xié)議的通信流程圖4 27 DSP與上位機基于UDP協(xié)議的通信流程UDP模式下，由于UDP是一種“只管發(fā)送，不顧結果”的非連接協(xié)議，所以其數(shù)據(jù)通訊不需要事先建立套接字連接，雖然通信相對靈活，但是這種通信方式安全性低，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，或者接受到非法數(shù)據(jù)，只可以用來傳輸一些非重要數(shù)據(jù)，如一些信息的實時采集，偶爾的采集失敗不會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。其通信流程如圖427所示。由于以太網(wǎng)網(wǎng)絡有嚴密的層級性，雖然本系統(tǒng)的各個端點與主機屬于一個子網(wǎng)范圍，未經(jīng)路由器遠程連接，但是需要交換機進行連通，所以需要一些實地信息。在上位機環(huán)境下，打開命令行執(zhí)行程序（），輸入“ipconfig”命令，回車后出現(xiàn)如圖428所示的主機信息。這些信息中的“Ipv4地址”、“子網(wǎng)掩碼”、“默認網(wǎng)關”是測控端需的一些必要的配置信息。圖4 28 上位機環(huán)境下通過命令行執(zhí)行程序獲取網(wǎng)絡信息下位測控卡的IP地址在固化程序時已經(jīng)設為定值，上位測控系統(tǒng)將會通過其IP地址來辨別測控卡編號，根據(jù)實驗室IP段，各卡IP分配為如表47所示，暫時設定系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)能力為15個現(xiàn)場測控端。表4 7 測控端編號與對應IP地址測控端01 測控端02 測控端03 測控端04 測控端05 測控端06 測控端15 以太網(wǎng)協(xié)議芯片的額定速率是50Mbps，但是受下位測控端DSP速度的限制。 DSP對FPGA測控功能的控制圖4 29 DSP對FPGA測控功能的控制 FPGA上的各個功能模塊是靠DSP分發(fā)命令碼來啟動執(zhí)行的，不同功能塊的有不同功能命令碼定義。，DSP與FPGA片上功能塊之間的通信，DSP為主控端，對FPGA功能塊的任務初始設置采用順序通信的方式，而后在功能數(shù)據(jù)的交互階段采用兩種方案：①仍然按照順序方式輪詢各功能塊；②通過中斷方式查詢。DSP內(nèi)程序的通信流程如圖429所示。 本章小結本章主要講了基于FPGA和DSP的功能開發(fā)、程序設計?；鵉PGA設計了數(shù)據(jù)測量與控制系統(tǒng)中一些常用的功能模塊，如多種信號采集、信號測量功能塊，并實現(xiàn)了FPGA與DSP有序的可控通信。DSP作為測控卡的主控芯片，實現(xiàn)了與上位機的以太網(wǎng)通信和系統(tǒng)各模塊的協(xié)調、測控任務的分發(fā)與集合。第5章 上位機測控系統(tǒng)軟件的設計 測控系統(tǒng)軟件的功能架構圖5 1上位機測控系統(tǒng)軟件功能劃分測控系統(tǒng)軟件的三大功能模塊如圖51所示，包括實時監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)后臺處理模塊、網(wǎng)絡通信模塊。三者既有緊密聯(lián)系的數(shù)據(jù)交互，又有相對獨立的功能執(zhí)行。網(wǎng)絡通信模塊是其它兩個模塊與系統(tǒng)下位各測控端點的聯(lián)系通道，執(zhí)行以太網(wǎng)通信功能，具體見圖21。實時監(jiān)控模塊是測控軟件的核心，對其它兩模塊有控制、調用與配置的權利，為操作者表達功能需求實現(xiàn)測控功能提供操作接口，可以在線對遠程測控端進行結構化參數(shù)配置，對系統(tǒng)運行參數(shù)及運行狀態(tài)進行實時顯示。數(shù)據(jù)后臺處理模塊根據(jù)監(jiān)控模塊的控制、通過文件型數(shù)據(jù)庫對測控數(shù)據(jù)進行管理，典型功能如對實時測控數(shù)據(jù)進行高速存儲、對歷史數(shù)據(jù)進行快速檢索以供分析等[47]。 實時監(jiān)控模塊 模塊簡介實時監(jiān)控模塊實際上是上位機運行的測控系統(tǒng)軟件的唯一人機交互窗口，運行軟件后，會有如圖52所示的界面激活，界面包括菜單欄、狀態(tài)欄和工程活動區(qū)三大部分。系統(tǒng)所有的測控指令都可以從菜單欄找到；工程活動區(qū)為實際測控功能顯示界面；狀態(tài)欄指示當前工程的一些功能進度和網(wǎng)絡連接狀況。圖5 2 測控系統(tǒng)軟件初始界面 新建工程新打開的軟件不能執(zhí)行任何實際的測控功能，需要通過新建工程操作來確定工程類型，以此引導系統(tǒng)進行一些必須的內(nèi)部初始化。圖5 3 新建對話框在菜單欄點擊執(zhí)行：文件新建工程，會彈出如圖53所示的新建對話框，需要在此設置一些必要信息和一些輔助識別的信息。必要信息包括“工程類型”、“工程名稱”和“工程路徑”，類型和路徑必須手動選擇，否則會彈出工程生成不成功提示框，名稱可以采用默認值或者自己輸入；輔助識別信息包括此次測控任務的操作者、操作時間（默認為當前系統(tǒng)時間，可以手動輸入）和簡單的功能描述。以上新建信息以“”文件的形式放置在選定的工程文件夾下，意為project configuration。工程類型包括“信號測量”、“ 運動控制”、“文件處理”三種形式?！靶盘枩y量”只啟動系統(tǒng)的測量功能；“運動控制”則系統(tǒng)功能全面初始化、使能；“文件處理”則為非聯(lián)網(wǎng)工作方式，不連接現(xiàn)場測控卡，只進行對以往數(shù)據(jù)的處理分析。對工程類型進行分類的設計意圖是讓測控軟件通過不同的工程類型來判別完成工程任務所需要的系統(tǒng)資源，從而啟動下位測控卡的不同功能模塊，這樣不僅能減小測控卡功耗、增長使用壽命、減小電磁干擾還能減少一些冗余的詢查，增加測控實時性和精確性。 信號測量當選擇新建工程類型為“信號測量”時，軟件界面的工程活動區(qū)會更新為如圖54所示，左側黑框為模擬示波器，可以對選定信號進行適應性顯示，該模擬示波器可以顯示四個通道的信號，通過右邊的設置欄可以分別對每個通道的信源進行選擇。圖5 4 信號測量工程類型界面對模擬示波器四個信道的設置是通過單擊其對應的“設置”鍵進行的，單擊后會彈出如圖55所示信道設置對話框。通過“內(nèi)部生成”和“外部輸入”單選按鈕設置對應通道的信源： 圖5 5信道設置對畫框（1）選擇“內(nèi)部生成”模式時，測控軟件將按“信道n”后面的文本框中的公式以時間“t”為自變量生成波形，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了三角波、正弦波、方波和鋸齒波的5K~1HZ的發(fā)生功能?！靶盘枩y量”工程類型下，圖55的“輸出”復選框是被禁止的。當功能類型為“運動