軟硬件協同設計(Hardware／Software Co-deaign)是在20世紀90年代興起的跨領域交叉學科。隨著超大規模集成電路制造工藝的進步，單個芯片所能提供的晶體管數量已經超過了大多數電子系統的需求，專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)設計逐漸進入了片上系統(System on Chip，SoC)設計的時代。
片上可編程系統(System on a Programmable Chip，SoPC)是Altera公司提出來的一種靈活、高效的SoC解決方案。它是一種特殊的嵌入式系統；首先，它是系統芯片SoC，即單個芯片能完成系統的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁剪、可升級、可擴充，并具備軟硬件在系統可編程的功能。
由此可見，軟硬件協同設計是電子系統復雜化后的一種設計新趨勢，其中SoPC是這一趨勢的典型代表。SoPC技術為嵌入式系統設計提供了一種更為方便、靈活和可靠的軟硬件協同實現方式。本文利用基于SoPC的軟硬件協同設計方法實現了水電機組在線監測系統中的狀態監測裝置，是軟硬件協同設計技術在電力場合的嵌入式裝置開發中的創新式的嘗試。
1 基于SoPC的軟硬件協同設計
1．1 設計思想
基于SoPC的軟硬件協同設計的核心是系統功能集成，設計思想較傳統方法有了根本改變，即從以功能設計為基礎的傳統流程轉變到以功能組裝為基礎的全新流程。軟硬件協同設計在實際應用中表現為軟硬件協同設計平臺的開發，首先對不同的任務目標找到最恰當的設計方案，然后進行軟硬件劃分，產生硬件描述、軟件描述和軟硬件邊界描述3個部分。軟硬件劃分是軟硬件協同設計的關鍵步驟，其基本任務是在滿足某些約束的條件下，將系統功能行為“最優地”分配到一定的軟硬件系統結構上進行設計規劃。
1．2 設計流程
軟硬件協同設計就是同時設計系統中的軟件和硬件部分，來滿足系統的性能指標。面向SoPC的軟硬件協同設計流程從目標系統構思開始。對一個給定的目標系統，經過構思，完成其系統整體描述，然后交給軟硬件協同設計的開發集成環境，由計算機自動完成剩余的全部工作。一般而言，還要經過模塊的行為描述、對模塊的有效性檢查、軟硬件劃分、硬件綜合、軟件編譯、軟硬件集成，軟硬件協同仿真與驗證等各個階段。軟硬件協同設計流程如圖1所示。
2 裝置硬件設計
數據采集分析是狀態監測裝置的實現基礎和核心功能，它設計的優劣直接影響著狀態監測裝置的參數指標的好壞，而本文中采用的基于SoPC嵌入式軟硬件協同設計很好地實現了該部分的功能，本章著重介紹該部分功能的硬件設計思路。采用可編程邏輯器件(FPGA)設計數據采集系統，具有集成度高、工作頻率快、編程配置靈活、抗干擾能力強等一系列優點。此外，還可以在FPGA芯片內進行采集控制、緩沖、信號處理、傳輸控制、通信。本裝置中正是按照上述的軟硬件協同設計思路合理分割功能，較高性能地實現了在線的多路狀態監測。
2. 1 采集控制IP設計
采集控制IP主要以下幾部分：采集控制邏輯，各種寄存器，數據緩存RAM塊，時間戳計數器，PLB_EMC接口伺服邏輯。工作時鐘為10 MHz。經后期軟件驗證，該模塊的采樣頻率最高可達12 kHz，同時可最多對84路模擬量進行采樣。
2．2 信號分析IP設計
為節約CPU資源，減輕軟件開發負擔，本系統中信號分析采用FPGA硬件邏輯完成，信號分析IP直接從原始信號數據計算得到直流，基波以及各次諧波的幅值和相位等特征量，具有運算時間固定，速度快，不易出錯，不占用CPU軟件資源等優點。設計框圖如圖2所示。主要包括數據流控制邏輯，FFT運算IP，幅頻相頻計算模塊，均值和峰峰值計算模塊，分析結果存儲緩沖RAM，PLB_EMC接口伺服邏輯。
其中FFT運算和幅值相位計算采用了Xilinx的IP，為節省FPGA邏輯資源，4 096點FFT采用基-2(Radix-2)算法簡化版，突發輸入輸出模式，在速度達到的情況下盡可能的縮減面積。
在完成了信號分析IP的邏輯后，進行了仿真工作，仿真數據由Matlab模擬計算得到，通過TestBench送給分析模塊進行仿真，仿真環境為Mentor Graphics公司的ModelSim 6．3g。下面是一些具體的仿真結果以及和Matlab仿真的對比。
在Matlab中產生一個正弦信號，并做4 096點FFT，計算結果如圖2所示。
圖3是FFT工作的時序圖，可以看到在選擇了基-2(Radix-2)算法簡化版，突發輸入輸出模式后，4 096點FFT的計算時間為533．24 μs，較軟件算法快很多，從而使系統能勝任大數據量(84路16位數據)高分辨率(4 096點)信號分析。
圖2和圖3是對模擬數據進行Matlab仿真和ModelSim仿真二者結果的比較，可以看到原始計算結果有一定的誤差，歸一化后完全一致，產生誤差的主要原因是在Matlab中的FFT是浮點數計算，而在FPGA中的FFT選擇的是定點數計算。仿真結果表明此模塊可以完成信號分析的功能，且分析結果達到較高精度。
3 裝置軟件設計
裝置的軟件結構如圖4所示，主要由以下幾個部分組成：嵌入式Linux操作系統、設備驅動程序(SJ90Dry．o)、數據采集控制與處理程序(SJ90IOAcc)、系統組態配置與監視分析程序(SJ90Logo)、通信接口程序(SJ90Comm)、CAN網驅動和I2C驅動。
其中：
(1)嵌入式Linux操作系統：主要負責進程管理、進程間通信、內存管理、實現文件系統、提供I／O接口及對其他資源進行管理；
(2)設備驅動程序(SJ90Dry．o)：運行于系統內核空間，將緩存的存貯空間映射為字符設備，響應設備中斷，建立采集數據交換緩沖存貯，提供用戶程序與操作系統的接口，完成用戶空間和內核空間的數據交換；
(3)數據采集控翻與處理程序(SJ90IOAcc)：主要負責建立共享內存，管理系統配置信息，實時數據，提供連續、自主的在線數據采集控制、信號處理、報警檢測、歷史數據存貯和故障錄波存貯等功能，通過設備讀寫和NetLink通信接口與內核態設備驅動程序進行數據交換；
(4)系統組態配置與監視分析程序(SJ90Logo)：基于MiniGUI圖形環境，提供可視化的系統參數配置(含機組、傳感器、通道、測點信息配置等)功能，提供多種實時數據監視圖表、歷史趨勢分析圖表和時頻振擺分析圖表；
(5)數據通信接口程序(SJ90Comm)：實現本系統與其他系統的數據交換，系統提供串口和網絡2種方式傳送數據，支持的協議分別為MODB US_RTU和MODBUS_TCP；
(6)CAN網驅動和I2C驅動：運行于系統內核空間，提供用戶程序與操作系統的接口，完成用戶空間和內核空間的數據交換；CAN網驅動獲取開關量以及慢變量信號；I2C驅動完成硬件點燈以及報警等功能。
4 結語
基于SoPC的軟硬件協同設計在圖像處理、無線通信、軍事武器等場合已經有了較多應用，本文則將該設計方法應用于狀態監測裝置中，并通過該設計方法最大限度地提升和優化了該采集系統的性能。筆者認為該設計方法同樣適合于電力行業中其他一些實時性強、運算量大、功能復雜的多路采集分析裝置中，以該設計思路替代以往的CPU+DSP，CPU+FPGA等多處理器芯片的設計方法，可實現系統級優化設計。