可重构温度变送器设计及重构方法研究

摘要

可重构常分为软件可重构、硬件可重构和系统可重构，其中，软件可重构已成为一种共识，常见于各种开发和应用中。随着微电子技术、计算机技术的快速发展，传统意义上的软、硬件界限逐渐模糊，基于芯片级的可重构技术成为研究热点。采用硬件软件化与软件硬件化相结合的思想，通过现场可编程门阵列进行计算和处理资源的重构，可大幅度提升处理速度和整机性能，在快速目标匹配、图像处理等方面受到特别的关注;同样，采用可重构技术设计“可进化的硬件”，以单一资源重组多种功能，在空间技术、故障容错等方面也形成了独特的优势。因此，开展可重构技术方法研究不仅具有学术价值，更具有重要的应用意义。
　　工业领域的各类测量信号中，温度信号检测占70％以上，本文以温度变送器为研究载体和对象，开展可重构温度变送器设计及重构方法研究，以期实现单一硬件设备满足多种类型温度传感器的自由接入，增强其可复用性和互换能力，提升其使用便捷性。研究中，首先开展了传感器自动识别方法和重构文件存储结构设计，建立起信号检测和资源存储的基础;然后，采用静态重构的设计思想，研发出可自动完成整机重构的可重构温度变送器;为提升设备不间断运行能力，进一步采用局部动态重构的设计思想，大幅度提高逻辑资源利用率，缩短重构时间，提高设备可用性。本文的主要研究工作如下:
　　1.温度变送器需要根据接入的温度传感器类型，加载不同的重构文件，更改可重构器件内部硬件逻辑电路。因此首先对温度传感器的识别方法进行分析研究。针对工业中常用的热电阻温度传感器，需要识别的内容包括温度传感器的接线方式和传感器材质类型。对现有温度变送器结构进行改进，采用ID3决策树方法自动完成传感器接线方式识别，提出温度-电阻特性模糊推理方法，能够自动完成传感器材质识别。在温度变送器的重构过程中，重构文件存储结构对外部存储器的占用率和读取重构文件的速度有较大的影响，因此设计了一个高效的存储结构来存放重构文件。
　　2.为了解决目前温度变送器存在的不足，使用静态重构思想进行可重构温度变送器设计。结合温度变送器的典型结构，设计出以微处理器与可编程逻辑阵列组成的静态重构温度变送器架构，按照重构辨识、重构规划、重构部署、重构评估这四个重构步骤进行2次主动重构，从而使温度变送器能够自适应温度传感器的类型。在静态重构设计中，根据可用的温度传感器，使用专用的EDA工具建立重构文件资源库。针对静态重构的四个重构步骤，分别对重构辨识方法、重构规划策略、重构部署方法和重构评估策略进行详细设计。最后通过制作实物平台验证静态重构设计的有效性。
　　3.由于使用静态重构思想的温度变送器只能离线对整个器件进行重配置，配置文件较大，在资源消耗和重构时间消耗上都比较严重，采用局部动态重构思想在资源利用率和重构时间上进行改善。使用具有局部动态重构功能的现场可编程门阵列替换静态重构温度变送器中的微处理器和现场可编程门阵列，并在该逻辑上构建可编程片上系统，执行微处理器和现场可编程门阵列所执行的任务。根据动态重构技术特点，对可重构器件进行局部区域划分，设计包装模块和冻结模块，设计重构主机，并建立局部重构文件重构资源库，按照静态重构温度变送器的四个重构步骤进行重构。最后通过实物验证局部动态重构温度变送器设计有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景、目的及意义

1．2 可重构技术研究现状

1．3 温度变送器研究现状

1．4 本文主要解决的关键问题

1．5 论文的主要工作

第2章 传感器识别方法和重构文件资源库存储管理设计

2．1 温度变送器基本工作原理

2．2 传感器自动识别方法设计

2．2．1 传感器识别电路设计

2．2．2 传感器接线方式识别

2．2．3 传感器材质识别

2．3 重构文件资源库存储管理设计

2．4 本章小结

第3章 可静态重构的温度变送器设计及实现

3．1 静态重构的设计基础

3．1．1 FPGA结构

3．1．2 静态重构特点

3．2 静态重构温度变送器结构设计

3．2．1 典型静态重构系统架构

3．2．2 静态重构温度变送器架构设计

3．3 静态重构温度变送器重构方法设计

3．3．1 静态重构温度变送器数据内部交互

3．3．2 建立静态重构文件资源库

3．3．3 重构辨识

3．3．4 重构规划

3．3．5 重构部署

3．3．6 重构评估

3．3．7 静态重构温度变送器2次主动重构

3．4 实验系统的构建及实验结果分析

3．4．1 实验平台设计及制作

3．4．2 实验设计及结果分析

3．5 本章小结

第4章 可局部动态重构的温度变送器设计及实现

4．1 局部动态重构的设计基础

4．1．1 局部动态重构特点

4．1．2 局部动态重构方式

4．2 局部动态重构温度变送器结构设计

4．2．1 局部动态重构任务划分

4．2．2 典型可编程片上系统结构

4．2．3 局部动态重构温度变送器片上系统设计

4．3 局部动态重构温度变送器重构方法

4．3．1 局部可重构区域划分

4．3．2 包装模块和冻结模块设计

4．3．3 建立局部动态重构文件资源库

4．3．4 重构主机设计

4．3．5 局部动态重构2次主动重构

4．4 实验系统的构建及实验结果分析

4．4．1 实验系统构建

4．4．2 实验设计及结果分析

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

在校期间发表论文及参与课题