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

0 引言
    在高溫、高壓、強(qiáng)放射性等惡劣環(huán)境下，由于測(cè)量者不能長(zhǎng)期置身其中，使得測(cè)控非常困難。在Nios II軟核CPU上移植μ c／OS-II實(shí)時(shí)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(cè)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(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣泛。

1 遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)
    遠(yuǎn)程測(cè)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(guò)SOPCBui lder集成在一片F(xiàn)PGA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(wú)論從邏輯資源還是存儲(chǔ)器均能滿足設(shè)計(jì)要求。在本系統(tǒng)中，我們?cè)O(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(guò)JTAG-UART在PC機(jī)上調(diào)試NiosCPU所需要的程序，并通過(guò)監(jiān)控程序?qū)φ麄€(gè)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(guò)GPIO，對(duì)內(nèi)控制SOPC系統(tǒng)中的其他部分，對(duì)外充當(dāng)并行I／O接口，讀取開關(guān)量，對(duì)LED、LCD等外設(shè)進(jìn)行控制。
    1．1．3 SDRAM 該IP核是外部存儲(chǔ)器SDRAM的控制接口。通過(guò)它完成SDRAM的時(shí)序控制。軟件設(shè)計(jì)中， SDRAM的時(shí)序控制對(duì)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(chǔ)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?？紤]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(guò)橋接控制器。
1．2 檢測(cè)和執(zhí)行模塊
    由于遠(yuǎn)程測(cè)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(kù)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(guò)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(guò)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(dòng)協(xié)商等功能。LAN91C111芯片通過(guò)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(cè)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?？紤]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(jí)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(dòng)程序，即硬件抽象層(HAL)系統(tǒng)庫(kù)。HAL應(yīng)用程序接口(API)與ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)綜合在一起，可以使用類似C語(yǔ)言的庫(kù)函數(shù)來(lái)訪問硬件設(shè)備或文件，如printf()、fopen()等，而無(wú)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(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。其規(guī)模較小、實(shí)時(shí)性和可靠性較高，Nios II集成開發(fā)環(huán)境(IDE)對(duì)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(guò)為每個(gè)任務(wù)分配單獨(dú)的任務(wù)堆棧來(lái)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(jí)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(duì)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(guò)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(guò)消息隊(duì)列將所獲得的命令發(fā)送到測(cè)控任務(wù)。LWIP提供了標(biāo)準(zhǔn)的Berkeley套接字編程界面，這個(gè)界面提供了三種類型，這里使用了流式套接字，這是一個(gè)面向連接、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)、無(wú)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(qǐng)求后，要激活一個(gè)新進(jìn)程來(lái)處理這個(gè)客戶請(qǐng)求。

3 遠(yuǎn)程測(cè)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(guò)程。如圖3所示，Nios II的HAL程序庫(kù)為用戶提供了這段代碼，代碼的入口標(biāo)號(hào)是"reset"。
    程序先對(duì)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(duì)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(duì)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(qǐng)求。若同時(shí)要求能與多個(gè)終端建立TCP連接和傳輸數(shù)據(jù)，需要為每個(gè)終端的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理都開辟一個(gè)新的線程，主函數(shù)的流程如圖4所示。

    服務(wù)器為每個(gè)客戶端都開一個(gè)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(gè)方面工作：從套接字上接收數(shù)據(jù)包；解析并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包；打包并發(fā)送數(shù)據(jù)包等。
3．3 遠(yuǎn)程測(cè)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(cè)控溫、濕度，該一體化數(shù)字式傳感器將敏感元件、信號(hào)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(yǔ)
    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(cè)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(cè)控在工業(yè)中的應(yīng)用定會(huì)更加廣泛。