项目名称 NiosII 软核在数字式超声探伤系统中的应用
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项目简介
NiosII 软核在数字式超声探伤系统中的应用
李佳,林春成
(广东汕头超声电子工程技术开发中心)
摘要
本文阐述了一种基于NiosII软核处理器技术的数字式超声探伤系统设计方案,与传统数字式超声探伤系统进行了比较,讨论了数字式超声探伤系统的工作原理及NiosII软核处理器设计过程。结合SOPC灵活配置的特点,定制了硬件系统。实验表明,将微处理器模块和信号采集处理模块集成到单片 FPGA上,设计出的系统集成度高、稳定性好、扩展性强。
关键词:SOPC NiosII 超声探伤系统
Application of NiosII Soft Processor in the Ultrasonic
Flaw Detecting System
Li Jia ,Lin Chun-cheng
Li Jia ,Lin Chun-cheng
(Guangdong Ultrasonic & Electronic R & D center)
Abstract: This paper describes an original design of ultrasonic flaw detecting system based on NIOSII soft processor technology,and it is compared with traditional ultrasonic flaw detecting system.It particularly discusses the principle of
ultrasonic flaw detecting system and the design course of NIOSII soft processor.With flexibility enabled by SOPC Builder,it builds a NIOSII hardware system.And it has been proved by the experiment that integrating the MCU module and the signal sampling andprocessing module on a single FPGA chip.So the performances such as integration,stability and expansibility have been improved much.
Key words:sopc;NiosII; ultrasonic flaw detecting system 
1 引言
在数字式超声探伤系统中,超声波信号经过前置放大,主放大,检波,视频放大后进行A/D转换。由于A/D采样频率高,一般在百MHz以上,如果只用纯软件方法,利用MCU的处理能力进行数据采集及处理,虽然硬件开销少,系统简单,但大大加重MCU的负担,而且对MCU的要求较高,对稍复杂的系统往往无法满足实时性的要求[1]。因此,经常采用空间换时间的方法,用FPGA[2](FieldProgramable Gate Array,现场可编程门阵列)进行数据前端处理,提高系统实时性和可靠性。传统模式下,MCU和FPGA相对独立。随着嵌入式系统朝着小体积、低功耗、高性能的趋势发展。MCU和FPGA在现代嵌入式系统中扮演着重要的角色,各自具有独特的优势而在某方面又略显不足。MCU因丰富的软件系统支持,在控制和处理人机接口领域占据绝对的领先地位。FPGA在高速复杂逻辑处理方面独领风骚,并凭其超大规模的单芯片容量和硬件电路的高速并行运算能力,在信号处理方面显示出突出的优势。因而,MCU和FPGA的结合是未来嵌入式系统发展的趋势。SOPC可以将MCU、FPGA完美地结合,即SOPC=MCU+FPGA。本文通过NiosII嵌入式软核在数字式超声探伤系统中的应用,简要介绍该方法。
2 SOPC的选型
SOPC[3](System on Programmable Chip,简称为可编程片上系统)技术提供了用大规模可编程器件实现 SOC(System on a Chip,片上系统)的功能。SOPC一般采用大容量FPGA作为载体,除了在一片FPGA中定制MCU处理器和DSP功能模块外,还可以设计其他逻辑功能模块。SOPC的构成方案一般有以下两种:第一.基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统。即在FPGA中预先植入嵌入式系统处理器。尽管由这些器件构成的嵌入式系统有很强的功能,但为了使系统更为灵活、完备,功能更为强大,对更多任务的完成具有更好的适应性,通常必须为此处理器配置许多接口器件才能完成一个完整的系统。然而,将IP硬核直接嵌入FPGA中的解决方案也有不足之处。由于此类硬核多来自第3方公司,FPGA厂商通常无法直接控制其知识产权费用,从而导致FPGA器件价格偏高;由于硬核是预先植入的,设计者无法根据实际需要改变处理器的结构,如总线规模、接口方式等;无法根据实际设计需要在同一 FPGA中使用多个处理器核;无法裁剪处理器硬件资源以降低 FPGA的成本。第二.基于FPGA嵌入IP软核的SOPC系统。目前最具代表性的软核嵌入式系统处理器有Altera 公司的Nios和NiosII核。在植入FPGA前,用户可根据设计要求,利用Quartus II 和SOPC Builder,对NiosII及其外围系统进行构建,使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计要求。只要FPGA的资源允许,Nios核在同一FPGA中被植入的数量没有限制;此外,Nios可植入的Altera FPGA系列几乎没有限制。因此,我们在设计中选择了后者。
3 系统总体设计
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