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应用研究与技术杂志15（2017）45-53 www.jart.ccadet.unam.mx
基于FPGA通信的嵌入式全面数据采集系统
Venkatraman Kandadai *，Moorthi Sridharan，Selvan Manickavasagam Parvathy，RajaPitchaimuthu
印度Tiruchirappalli 620015国家技术研究所电气和电子工程系
摘要
实时应用中的数字控制器需要一个可靠的系统来获取有效处理的数据。本文重点介绍
使用现场可编程门阵列设计和开发全面的数据采集和通信嵌入式解决方案
（FPGA）。在提出的解决方案中，开发了一个嵌入式平台，它可以获取数据，监控并提供基本的通信在网络中通过以太网连接的设备之间。该系统利用服务器/客户端架构通信模式;控制信号连接到客户端的设备由服务器控制，设备的状态显示在服务器端用于在线监视。
拟议的嵌入式解决方案不需要专用个人电脑。所提议的平台的多功能性和功效经过测试
通过将其用于实验室制造的微电网原型中进行实验。
copy;2017墨西哥国立自治大学，Centro de Ciencias Aplicadas y DesarrolloTecnoloacute;gico。这是一篇开放获取文章
CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。
关键词：沟通;数据采集; FPGA;微电网
1.介绍
任何数字系统的主流，与真实的互动世界，是来自各种信号的数据采集系统。数据采集的要求是量化电或物理现象，例如电压，电流，温度，压力或声音。尽管每个数据采集系统（DAS）由其应用需求定义，每个系统拥有获取，分析和共享的共同目标呈现信息。 DAS将信号，传感器，执行器，信号调节，数据采集设备和应用软件（Abdallah＆Elkeelany，2009; Marino，Poza，Otero，多明格斯，2010）。数据采集涉及到模拟来自测量源的信号并将信号数字化用于存储，分析和演示或控制。通常，传感器提供关于某个特定方面的连续数据过程如电压，电流，温度等等模拟形式，需要转换成数字形式收购后还需要进一步处理。所以，模拟信号通过模拟转换成数字信号转换器（ADC）。现在可以传输获得的数据一个数字数字传输比模拟更能抵御噪声来自传感器的数据（Abdallah，Elkeelany，＆Alouani，2011;
Siddiqui，Grosvenor，＆Prickett，2015）。现有的DAS笨重、昂贵或需要设计获得可靠性和高速采集的冗余。因此，必须使用嵌入式处理器来降低系统规模，避免设计冗余，降低成本和功耗消费。现场可编程门阵列（FPGA）就是其中之一嵌入式系统领域的这种创新，由于高度的并行性，低功耗，输入和输出（I / O）功能。其计算吞吐量可以高于典型的数字信号处理器（DSP）由于FPGA的硬件资源可以大大降低成本被配置为适应特定应用的需求。一般来说，DAS可以采集单通道或多通道信号。本能使用多通道A / D转换是为每个通道使用专用ADC或使用单个通道具有时分复用的ADC。大多数ADC使用时分复用，其中信道的数量较少。大多数FPGA电路板具有较少数量的ADC通道这限制了大量的外部模拟量
信号，随后它们在DAS中作为控制器的功能。此外，设备之间的适当通信将起作用
在任何系统中建立自动化的关键角色。通过全球移动通信系统进行通信
（GSM）正在快速增长，尽管完全依赖于此服务提供商因此容易导致网络故障
很多时候，通过以太网进行通信是一个独立的网络，而且非常可靠。存在很大范围
的市场上可用的网络协议该应用程序可以选择和使用适当的协议建立可靠的通信和数据传输（Anish，Kowshick，＆Moorthi，2013; Fischmeister，Trausmuth和Lee，2009年;内田，藤井，长坂，田中，2006年）。采取了数据采集之后的通信和监测的重要性，将数据采集，
监控和沟通并设计一个通用平台这对任何类型的系统都是灵活的。对此最后，本文提出了一种较小的FPGA板的方法板载ADC通道的数量可以吸收更多的数量信号从而扩展其在DAS中的功能。进一步，提出了一个嵌入式平台，该平台集成了数据采集，监控和FPGA之间的通信网络中的电路板。以太网接口已用于其中之一到一块FPGA板之间的一次通信作为服务器和其他客户端。连接到客户端的设备的状态被传递到服务器上进行监控。这样可以方便地监控位于远程位置的现场设备。开发的平台经过测试Altium Nanoboard（NB3000）FPGA板有四块通道板载ADC和XILINX SPARTAN 3AN FPGA。板载FPGA芯片内部具有TSK3000A（32位软核）处理器。拟议的嵌入式平台利用两者硬核数字组件和软核处理器内置单个FPGA，用于数据采集，监测和通信。这个FPGA与softcore处理器有几个由于具有高度的灵活性，快速的计算，更少的设计时间等特性，因而优于标准微控制器以适中的成本和最重要的硬件推向市场具有动态重构功能。另外，软核处理器通过集成标准或定制接口（如以太网，图形用户界面（GUI）等（Joost＆Salomon，2005）。在拟议的工作，硬核数字组件编程具有超大规模集成电路（VHSIC）硬件描述语言（VHDL）已被用于数据采集。使用embeddedChas编程的Softcore处理器用于监视数据和以太网通信。
2.提出的嵌入式平台
所提出的嵌入式平台的框图是如图1所示，它获取数据，监控数据并提供FPGA之间的一对一通信通过以太网接口连接到网络中的板卡。该提出的平台分为三个部分。
（A）数据采集，（B）监视和（C）以太网通信，将在下面讨论。
2.1数据采集
为了增强FPGA板的功能在DAS中具有较少数量的板载ADC通道，这是一种方案
已经提出了其中模拟信号采集卡（ASAC）连接到FPGA板，从而提高了性能板的外部模拟信号可访问性。ASAC是一个模拟多路复用器与每个板载通道的集成选择位值的主FPGA板上的ADC（Y）由模拟多路复用器提供和控制嵌入式模块在FPGA内部开发。柜台设计在FPGA内部，通过主FPGA板的I / O引脚为模拟多路复用器提供选择位。提出的系统的概念设计如图所示。图2中ASAC与主FPGA板集成在一起。在这个图中，2N（或更少）模拟输入信号被连接到一个模拟多路复用器依次选择其中的一个，取决于N位选择线的组合。每个的输出多路复用器被赋予板载ADC的一个特定通道多路复用器控制器也嵌入在FPGA内部。
该算法的一般化流程图在FPGA如图3所示。例如，一个主机FPGA板可以考虑X个ADC通道。在每个通道中包含一个2N：1多路复用器，即通道数量由FPGA访问增加到2N * X.让X1为现在通道由FPGA访问（如果X = 4，则X1 = 0,1,2,3）。如第一个度量，X1和给多路复用器的选择位是设置为零。目前，模拟信号对应于第一个第一个多路复用器的输入在其采集时间内通过ADC读取。柜台意味着forselection bitsisincrement by一个在ADC的转换时间。从而提供充足的模拟量输入稳定在其输出的时间量。计数器的值为零，一旦2N个通道本多路复用器由FPGA读取。然后是下一个ADC通道被选中（X1 = X1 1）。一旦X1达到其最大值
值（X），它会被重置并且过程会连续重新进行读取信号。嵌入式平台的最大采样频率可以实现取决于最大采样频率ADC以及它必须使用的号码频道加强。对于例如如果Z是最大采样频率的ADC和N是它必须通道的数量被增强，那么系统的采样频率可以是（Z / N）。
2.2监控
从VGA板显示VGA显示器信息的硬件要求包括软核FPGA内部的处理器（TSK 3000A - 32位RISC处理器），VGA控制器和SRAM控制器。 TSK3000A处理器执行本地软件代码来启动FPGA
开发板和其他软件包装器的初始化执行用户编写的软件代码。 VGA控制器提供硬件控制器元件之间的接口在FPGA电路板和软件包装器上展现出来并初始化VGA显示器。 SRAM控制器提供用于显示操作的内存在数据缓冲区中的位置数据在发送到VGA监视器之前就被存储了。图4中显示了用于在VGA监视器上显示信息的软件代码的流程图图形t结构（内置）初始化显示驱动程序FPGA板进一步激活所有硬件组件和运行所有相关的软件包装，处理初始化FPGA板和VGA监视器上的显示驱动程序。画布t结构（内置）可帮助用户初始化它必须在显示器中显示。一旦图形驱动程序和画布被初始化，画布充满了任何背景颜色并设置为可见。此后，信息被传递到显示器上，以字符串，显示位置的x和y坐标，文本颜色和样式显示。以来开发的显示系统是一个在线监测系统，该程序单独运行所有需要监控的数据。每当监测数据发生变化时当测量参数发生变化时，显示屏会在擦除现有的数据后更新。
图1 嵌入式平台框图。
图2 数据采集框图
2.3以太网通信
以太网是各种密切相关的通用名称网络标准。许多系统都采用TCP / IP套件提供可靠有序和错误检查传送通过Internet协议运行的设备之间的数据包（IP）网络。在TCP / IP套件中，传输控制协议（TCP）负责将数据分解为小数据包然后才能在发送端通过网络发送，然后发送当数据包到达接收端时再次组装数据包结束。 IP负责设备之间的通信，它负责寻址，发送和接收数据数据包通过互联网。TCP / IP协议是这样设计的，网络中的设备具有唯一的IP地址和每个IP地址可以打开和通信多达65,535个不同的端口在任何其他网络设备之间发送和接收数据。IP地址唯一标识网络上的设备端口号表示一台设备之间的特定连接
和另一个（即两个IP地址之间）。一个TCP / IP端口可以被认为是一个私人双向通信线路该端口号用于标识之间的唯一连接两个设备。一旦为每个FPGA器件分配了IP地址和用于FPGA器件之间通信的端口号，使用客户机/服务器模型。在客户端/服务器模式下，一个TCP / IP
客户端通过发送请求数据包来启动与TCP / IP服务器的通信。当服务器收到请求时，它处理它并作出响应。一旦通过TCP / IP连接端口已经建立在客户端和服务器之间，数据可以以任何一个方向发送，并且一直开放至客户端或客户端服务器终止连接。一个好处是客户端/服务器TCP / IP协议是低级别的驱动程序实现数据的发送和接收执行错误检查所有的数据，并保证不会有发送或接收的任何数据中的错误。在目前的方案中，TCP / IP套件已被用于在两块FPGA板之间建立以太网通信哪一个充当主/服务器以及其他作为从/客户端。服务器通过发送切换命令来控制客户端连接到客户端的设备的操作。客户端然后处理接收到的命令并将它们转换成开启或关闭特定设备的动作关闭。这种类型的控制系统赋予控制权的自由远程位置的设备通过以太网连接。此外，设备的状态显示在服务器端，用于在Altium上实现以太网通信纳米板涉及外设，如随机存取存储器（RAM），以太网端口，串行外设接口（SPI）主控制器和I / O端口TSK3000A处理器。 TSK3000A是精简指令集计算（RISC）处理器与Wishtrade;骨总线系统兼容。以太网系列的外围设备提供处理器和物理层之间的接口设备通过提供IEEE802.3媒体独立接口（MII）。与多个从属SPI通信外设由SPI主控制器控制。 I / O端口模块是符合Wishbone标准的可配置并行端口单元，提供简单的寄存器接口来存储数据转移到设计中的其他设备/从其他设备转移。
图3 数据处理算法流程图
图4 在VGA显示器上显示信息流程图
3.测试案例
测试所提议的嵌入式平台的功能在实时应用中，独立微电网的原型已经具备已经在本节详述的实验室中建成。
图5 嵌入式平台微电网框图
3.1微电网
微电网系统是由分布式可再生能源和负载组成的小型电力系统（Park＆坎德拉里亚，2013; Venkatraman等，2016）。由于微电网方式的分散性，与之相连中央调度公用事业可以被删除或最小化，以便可以提高敏感负载的电能质量。通常，微电网有两种操作模式：独立式（孤岛式）模式和并网模式。此外，微电网系统可以分为交流母线和直流母线系统的基础上总线连接到组件系统（Chen，Wu，Song，＆Chen，2013; Di Silvestre，Graditi和Sanseverino，2014;
Natsheh，Natsheh，＆Albarbar，2013）。独立的微电网是通过整合多个电网而形成的可再生能源类型，即风能和太阳能与柴油发电机（DG）以及储能系统。该整体原理图如图5所示和硬件设置如图6所示。使用一个DC总线形成风能转换系统（WECS），电池组和PV阵列与DC-DC转换器。柴油发电机已连接与逆变器的输出并联。此外，负载分类 - 根据临界负载（CL）和非临界负载（NCL）而定在分配负荷的优先权上。由于资源（来源和负荷）的监测地点，在地理上分布广泛，两个FPGA控制器，源FPGA控制器和负载FPGA控制器通过使用TCP / IP套件的以太网接口连接。在微电网实施和控制中，来源控制器必须进入光伏阵列电压和电流（VPV和IPV），风力发电机电压和电流（VW和IW），电池电压和电流（VB和IB），三相交流负载电压和电流（vlr，vly，vlb和ilr，ily，ilb）和三相交流柴油发电机电压和电流（vdr，vdy，vdb和idr，idy，idb）。因此，必须给出
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