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基于SOPC技術(shù)的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

發(fā)布時間:2010-11-8 15:29    發(fā)布者:eetech
關(guān)鍵詞: SoPC , 測控 , 遠(yuǎn)程
在高溫、高壓、強(qiáng)放射性等惡劣環(huán)境下,由于測量者不能長期置身其中,使得測控非常困難。在Nios II軟核CPU上移植μ c/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧,容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信,為遠(yuǎn)程測控提供了條件。以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)小巧、實(shí)時性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn),在工業(yè)測控領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣泛。

1 遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出,Nios II軟核CPU及各種所需的外設(shè)IP均通過SOPCBui lder集成在一片FPGA中,構(gòu)成本系統(tǒng)所需硬件的可重構(gòu)部分,實(shí)現(xiàn)真正的可編程片上系統(tǒng)(SOPC)。



1.1 I P核設(shè)計(jì)

為了在低成本情況下完成預(yù)定功能,選擇了Cyclone FPGA系列器件中的EP1C6。EP1C6無論從邏輯資源還是存儲器均能滿足設(shè)計(jì)要求。在本系統(tǒng)中,我們設(shè)計(jì)或選用了如下主要的IP核。

1.1.1 UART帶Avalon接口的通用異步接收器/發(fā)送器。UART內(nèi)核執(zhí)行RS-232協(xié)議,它為FPGA上的嵌入式系統(tǒng)和外部設(shè)備提供了串行字符流的通信方式。帶Avalon接口的JTAG-UART內(nèi)核還提供Nios CPU系統(tǒng)到PC機(jī)的連接通路,通過JTAG-UART在PC機(jī)上調(diào)試NiosCPU所需要的程序,并通過監(jiān)控程序?qū)φ麄系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制。

1.1.2 GPIO。并行輸入/輸出內(nèi)核。它提供Avalon從控制器端口到通用I/O口間的映射接口。該IP核是常規(guī)的外設(shè)控制接口。通過GPIO,對內(nèi)控制SOPC系統(tǒng)中的其他部分,對外充當(dāng)并行I/O接口,讀取開關(guān)量,對LEDLCD等外設(shè)進(jìn)行控制。

1.1.3 SDRAM 該IP核是外部存儲器SDRAM的控制接口。通過它完成SDRAM的時序控制。軟件設(shè)計(jì)中, SDRAM的時序控制對用戶是完全透明的。

1.1.4 EPCS。帶Avalon接口的EPCS設(shè)備控制器內(nèi)核。該IP核允許Nios II系統(tǒng)訪問EPCS串行配置芯片,該芯片主要用于存儲程序代碼或一些非易失性數(shù)據(jù)。

1.1.5三態(tài)總線橋。該IP核是Avalon和Avalon-TriBUS總線以及Avalon和Wishbone總線的橋接控制器,用于連接兩種不同總線。考慮有些外設(shè)需要自行開發(fā)I2CIP核,這些外設(shè)不能直接連到Avalon總線上,需要通過橋接控制器。

1.2 檢測和執(zhí)行模塊

由于遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的不同,該模塊選用的IP核也不完全相同。SOPC Builder自帶的IP庫中并不包含I2C配置接口模塊,該模塊需要根據(jù)配制芯片的寄存器特點(diǎn)和功能進(jìn)行專門設(shè)計(jì),并以I2C核的形式通過SOPCBuilder連接到系統(tǒng)的Avalon總線上。

1.3 傳輸接口模塊

本系統(tǒng)有三種數(shù)據(jù)傳輸方式:串口、USB接口和以太網(wǎng)接口。串口、USB接口通過UART接Avalon總線。以太網(wǎng)接口芯片選用了SMSC公司的LAN91c11 1芯片,該芯片內(nèi)部集成了以太網(wǎng)介質(zhì)訪問(MAC)及物理層收發(fā)器(PHY),支持10/1OOM全雙工傳輸模式、自動協(xié)商等功能。LAN91C111芯片通過FPGA內(nèi)的適配器模塊連接到EP1C6內(nèi)部的Avalon總線上,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)接入Internet。

2 遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的軟件體系

本系統(tǒng)有兩大功能:數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集及傳送。考慮到使用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜性,在設(shè)計(jì)中使用嵌入式操作系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧是必然選擇。

軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植;網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn);應(yīng)用級代碼編寫等部分。為了方便用戶編程,Nios II IDE提供了設(shè)備驅(qū)動程序,即硬件抽象層(HAL)系統(tǒng)庫。HAL應(yīng)用程序接口(API)與ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫綜合在一起,可以使用類似C語言的庫函數(shù)來訪問硬件設(shè)備或文件,如printf()、fopen()等,而無須關(guān)心底層硬件的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。





2.1 移植μC/OS-II和LWIP

μC/OS-II是一種可移植、可固化、占先式多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核。其規(guī)模較小、實(shí)時性和可靠性較高,Nios II集成開發(fā)環(huán)境(IDE)對μ C/OS-II具有良好的支持,故μC/OS-II是嵌入式操作系統(tǒng)的首選。它通過為每個任務(wù)分配單獨(dú)的任務(wù)堆棧來保存任務(wù)工作環(huán)境,提供任務(wù)管理和調(diào)度服務(wù)。

輕量級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(Lightweight IP,LWIP)是TCP/IP協(xié)議棧的一種實(shí)現(xiàn),它是一種專門針對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,由于LWIP實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于削減代碼大小和內(nèi)存消耗,但可以完成傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議的大部分功能,通常只需要大約40K的ROM和幾十K的RAM即可運(yùn)行,在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧初始化后,使用標(biāo)準(zhǔn)套接字API創(chuàng)建新任務(wù)訪問網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

2.2 通信服務(wù)器

本任務(wù)通過sys_thread_new()函數(shù)創(chuàng)建,作為服務(wù)器監(jiān)聽約定的端口,等待遠(yuǎn)程主機(jī)的連接,提取遠(yuǎn)程主機(jī)的命令,通過消息隊(duì)列將所獲得的命令發(fā)送到測控任務(wù)。LWIP提供了標(biāo)準(zhǔn)的Berkeley套接字編程界面,這個界面提供了三種類型,這里使用了流式套接字,這是一個面向連接、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),數(shù)據(jù)無差錯、無重復(fù)地發(fā)送,按發(fā)送順序接收。通常服務(wù)器接收到并發(fā)服務(wù)請求后,要激活一個新進(jìn)程來處理這個客戶請求。   

3 遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化是指系統(tǒng)上電復(fù)位后到運(yùn)行main()函數(shù)前,初始化硬件,構(gòu)建應(yīng)用程序運(yùn)行環(huán)境的過程。如圖3所示,Nios II的HAL程序庫為用戶提供了這段代碼,代碼的入口標(biāo)號是"reset"。



程序先對CPU進(jìn)行初始化,其功能包括初始化指令和數(shù)據(jù)Cache,設(shè)置堆棧指針(stack Pointer)等,然后調(diào)用"alt main()"函數(shù)。

alt main()函數(shù)對CPU及外設(shè)初始化,其功能包括調(diào)用alt os int()函數(shù)初始化OS,默認(rèn)情況下完成對μC/OS-II初始化,調(diào)用alt_sys_int()函數(shù)初始化系統(tǒng)設(shè)備及軟件模塊等,然后調(diào)用"main()"函數(shù)。

3.2 主函數(shù)main()

主函數(shù)"main()"負(fù)責(zé)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽,響應(yīng)終端的TCP連接請求。若同時要求能與多個終端建立TCP連接和傳輸數(shù)據(jù),需要為每個終端的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理都開辟一個新的線程,主函數(shù)的流程如圖4所示。





服務(wù)器為每個客戶端都開一個線程專門與之進(jìn)行socket通信。Socket數(shù)據(jù)處理線程主要包括三個方面工作:從套接字上接收數(shù)據(jù)包;解析并存儲數(shù)據(jù)包;打包并發(fā)送數(shù)據(jù)包等。

3.3 遠(yuǎn)程測控實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案,選用瑞士SENSIRION公司生產(chǎn)的傳感器SHT75,測控溫、濕度,該一體化數(shù)字式傳感器將敏感元件、信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字接口電路集成在同一芯片上,使用I2C IP核可以方便地和處理器連接。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)切實(shí)可行。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)基于SOPC和嵌入式系統(tǒng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程測控的要求。此設(shè)計(jì)可應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境,稍加改進(jìn),也可適用于網(wǎng)絡(luò)信息家電、家庭安全等方面。隨著芯片技術(shù)和總線技術(shù)的發(fā)展,嵌入式遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化測控在工業(yè)中的應(yīng)用定會更加廣泛。
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