基于FPGA的嵌入式ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

引言

社會信息化和網(wǎng)絡(luò)化的高速發(fā)展，極大地推進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化和信息化的方向發(fā)展。嵌入式設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合又使得信息共享、遠(yuǎn)程控制、檢測、診斷、維護(hù)等變得異常簡單。由此可以看出，嵌入式設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合已經(jīng)成為現(xiàn)代發(fā)展的必然趨勢，事實上，嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著極其廣泛的應(yīng)用前景。

隨著 FPGA 技術(shù)的迅速發(fā)展，SOPC 作為一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，具備軟硬件在線可編程、可裁剪、可擴(kuò)充、可升級的功能，因此，本設(shè)計采用基于嵌入式 SOPC 技術(shù)和 μC/OS-II 實時操作系統(tǒng)，并通過在嵌入式實時操作系統(tǒng) μC/OS-II上移植 NicheStack TCP/IP Stack 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，同時加入外圍ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集模塊，成功地實現(xiàn)了多個外圍網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)控，最終完成了嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用 FPGA + Nios II [2] 的架構(gòu)，并利用 FPGA 靈活的編程特性進(jìn)行設(shè)計，在其內(nèi)部配置實現(xiàn)串口控制器，使系統(tǒng)具有多串口通信能力 , 然后利用以太網(wǎng)模塊實現(xiàn)與以太網(wǎng)的通信。整個系統(tǒng)主要由 FPGA 部分、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)部分、上位機(jī)監(jiān)控部分組成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。由圖 1 可以看出 , 該系統(tǒng)的主要功能首先是將每個 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送到自己的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后利用異步串行通信方式 [3-4] 實現(xiàn) FPGA 與多個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)通信，在 FPGA 將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理后，通過以太網(wǎng)的 Socket 通信功能實時發(fā)送到 PC上位機(jī)，從而實現(xiàn)對多個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)控功能。

本設(shè)計利用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)在無線通信方面的優(yōu)點和 FPGA的 I/O 端口多，且可自由定義其功能、自由編程支配等特點，再配以 VHDL/Verilog HDL 編寫的內(nèi)部執(zhí)行軟件和 Nios II 來進(jìn)行設(shè)計，因而具有很好的靈活性、可配置性等特點。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 SOPC 的設(shè)計

本系統(tǒng)的 FPGA 硬件設(shè)計基于 Altera 公司的 SOPC開發(fā)環(huán)境 SOPC Builder。Altera 公司為 SOPC 工具提供了眾多的IP 核支持，可以直接調(diào)用。本設(shè)計中采用的 Phy 芯片是千兆88E1111 PHY 芯片，并采用 Altera 提供的三倍速以太網(wǎng)控制器核，在定制界面中采用以太網(wǎng) MAC 控制器為 RGMII 模式，RGMII 采用 8 位數(shù)據(jù)接口，工作時鐘 125 MHz，因此，傳輸速率可達(dá) 1 000 Mb/s。同時兼容 MII 所規(guī)定的 10/100 Mb/s工作方式，支持的傳輸速率為 10 M/100 M/1 000 Mb/s。RGMII數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合 IEEE 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，接口定義符合 IEEE 802.3-2000。采用 RGMII 的目的是降低電路成本，使實現(xiàn)這種接口的器件的引腳數(shù)從 25 個減少到 12 個。根據(jù)設(shè)計需要，本設(shè)計定制了多個 UART 內(nèi)核，該 UART 內(nèi)核只有 TXD 和 RXD 兩個信號，而沒有定制 RTS 和 CTS 控制信號。

將 Nios II 處理器、定時器、CFI 控制器、EPCS 控制器、PLL、片上存儲單元、JTAG UART、SGDMA 控制器，多個UART 內(nèi)核及三倍速以太網(wǎng)控制器核添加到 SOPC Builder 中所生成的 SOPC 系統(tǒng)如圖 2 所示，點擊 Generate 即可生成Nios II 系統(tǒng)，然后在 Quartus II上完成頂層模塊的設(shè)計及硬件接口的連接，最后分配引腳，并編譯下載到 FPGA中，從而完成 FPGA 的硬件設(shè)計。

圖 2 SOPC系統(tǒng)配置2.2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)部分

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中一般含有三種類型的節(jié)點，即協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備 (FFD)，而終端設(shè)備選用精簡功能設(shè)備 (RFD)。

一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)有且僅有一個協(xié)調(diào)器，主要負(fù)責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)節(jié)點的綁定關(guān)系表等，需要最多的存儲空間和計算能力。協(xié)調(diào)器接收每一個終端設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，并通過串行通信將該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點信息發(fā)送至 FPGA。

路由器主要實現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能，作為網(wǎng)絡(luò)中的潛在協(xié)調(diào)器，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)也就是允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計采用星型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，故沒有加入路由器。

終端設(shè)備不具備成為協(xié)調(diào)器或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，負(fù)責(zé)與實際的監(jiān)控對象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點主動通信，將自身的傳感器信息、節(jié)點位置發(fā)送給協(xié)調(diào)器，具體的信息路由則全部交由其協(xié)調(diào)器及網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成。

本設(shè)計選用 TI 公司的 CC2430 芯片是一顆真正的系統(tǒng)芯片 (SoC)CMOS 解決方案，這種解決方案能夠提高性能并滿足以 ZigBee 為基礎(chǔ)的 2.4 GHz ISM 波段應(yīng)用 , 可滿足對低成本、低功耗的要求。使用時只需結(jié)合一個高性能 2.4 GHzDSSS( 直接序列擴(kuò)頻 ) 射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的 8051 控制器即可。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本文的設(shè)計軟件主要包括的內(nèi)容有：μC/OS-II 嵌入式操作系統(tǒng)的移植、NicheStack TCP/IP Stack[7] 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實現(xiàn)以及頂層應(yīng)用代碼的編寫和調(diào)試、PC 軟件客戶端的設(shè)計等。

3.1 軟件的總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)要求通過串口通信方式實時獲取接入系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點所發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)信息，然后通過以太網(wǎng)傳輸?shù)?PC機(jī)客戶端，PC 機(jī)客戶端負(fù)責(zé)實時監(jiān)控各個協(xié)調(diào)器節(jié)點的信息。本系統(tǒng)的總體軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 所示。由于本系統(tǒng)需要調(diào)度、控制多個任務(wù)，所以必須在硬件平臺上嵌入操作系統(tǒng)。

本系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺使用的是 Altera 公司的 Nios II 集成開發(fā)環(huán)境 (Nios II IDE )，這個集成開發(fā)環(huán)境已經(jīng)移植了μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)。

μC/OS-II 嵌入式實時操作系統(tǒng) [8] 是一個通用的實時操作內(nèi)核，是一個可移植、可固化、可裁剪的實時多任務(wù)內(nèi)核。μC/OS-II 嵌入式實時操作系統(tǒng)包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間通信和同步等功能，但沒有提供輸入輸出管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等額外服務(wù)，其中任務(wù)管理是最核心的部分。

圖 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖3.2 軟件具體內(nèi)容

軟件框架由 3 個任務(wù)組成 : Socket Server 任務(wù)，ZigBee協(xié) 調(diào) 器 數(shù) 據(jù) 采 集 任 務(wù) UARTnTask()，PC 命 令 調(diào) 度 任 務(wù)ControlDataTask() 和協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)匯集發(fā)送任務(wù) GetDataTask()。圖 4 所示是其軟件流程圖。

圖 4 軟件流程圖

（1）Socket Server 任務(wù)

首先在程序中調(diào)用 alt_iniche_init() 和 netmain() 函數(shù)完成 NicheStack 網(wǎng)絡(luò)棧的預(yù)初始化和NicheStack 網(wǎng)絡(luò)棧的初始化和啟動，接著調(diào)用 get_mac_addr() 和 get_ip_addr() 函數(shù)設(shè)置 MAC 和 IP 地址 , 然后由標(biāo)準(zhǔn) Socket 接口完成網(wǎng)絡(luò)操作。

（2）ZigBee 協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)采集任務(wù)

UARTnTask() 任務(wù)就是通過串口通信獲取每一個 ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)信息，可在 SOPC 中定制多個 UART 核，并在NIOS II 集成開發(fā)環(huán)境中采用 C 標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)實現(xiàn)對 UART 的控制。其關(guān)鍵代碼如下：

void UART0Task(void *pdata)

{

FILE *UART0;

Char rec;

UART0 = fopen(“/dev/UART0”,”r+”);

while(1)

{

rec = getc(UART0); // 判斷串口接收到數(shù)據(jù)的類型

switch (rec)

{

while()

{

… // 利用狀態(tài)機(jī)原理從串口獲取完整的數(shù)據(jù)

}

…

}

OSTimeDlyHMSM (0, 0, 1, 0);

}

}

（3）ControlDataTask() 任務(wù)

該任務(wù)主要負(fù)責(zé)獲取PC上位機(jī)對協(xié)調(diào)器節(jié)點的控制命令，然后轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的的協(xié)調(diào)器。其關(guān)鍵代碼如下：

void ControlDataTask(void *pdata)

{

Mymsg *smsg; // 定義的以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

while (1)

{

smsg = OSMboxPend(Mybox,0,&error_code); //Socket Server() 任務(wù)獲取 PC 收到 PC上位機(jī)的控制命令后，利用郵箱 Mybox 傳遞給 ControlDataTask() 任務(wù)

switch (smsg->flag)

{

case‘A’:OSMboxPost(UART0box,smsg); // 將相應(yīng)的控制命令信息發(fā)送給對應(yīng)的協(xié)調(diào)器任務(wù)

break;

…….

}

OSTimeDlyHMSM (0, 0, 1, 0);

}

}

(4) GetDataTask()任務(wù)

該任務(wù)負(fù)責(zé)獲取當(dāng)前所有協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，并通過SOCKET通信發(fā)送給PC機(jī)。

3.3系統(tǒng)測試

PC 上位機(jī)軟件可采用 Microsoft Visual Studio 2010 MFC 編寫，并利用Socket接口實現(xiàn)與FPGA的通信。首先可設(shè)定 服務(wù)器的IP地址和端口，然后點擊開啟數(shù)據(jù)采集。本試驗中 模擬了兩路ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集，圖5所示是上位機(jī)實時 監(jiān)控顯示圖。事實上，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點位置信息和傳 感器數(shù)據(jù)信息都會模擬顯示出來，并能夠?qū)崿F(xiàn)控制節(jié)點。

圖5上位機(jī)實時監(jiān)控顯示圖

4結(jié)論

隨著計算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展，嵌入式網(wǎng) 關(guān)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)及工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域，越來越多的設(shè)備需要網(wǎng)絡(luò)接入功能，以實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本設(shè)計將嵌入式SOPC技術(shù)、μC/OS-II實時操作系統(tǒng)和基于 NicheStack TCP/IP Stack協(xié)議的以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起組成了 嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。本設(shè)計對從底層硬件到Nios n應(yīng)用軟件的 整個架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，最后在開發(fā)板上實現(xiàn)并通過實驗驗證。

本設(shè)計方案的可配置性和靈活性具有廣泛的應(yīng)用前景。

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