基于MicroBlaze的嵌入式串口服務(wù)器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，提供軟硬件架構(gòu)、原理

項(xiàng)目背景及可行性分析

項(xiàng)目名稱：基于MicroBlaze的嵌入式串口服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目的主要內(nèi)容：本作品將要實(shí)現(xiàn)一個(gè)串口服務(wù)器，它有2個(gè)串口，每個(gè)串口可以連接一個(gè)需要服務(wù)的對(duì)象，比如門禁，消防，火警，馬達(dá)，燈光，空氣等各樣需要監(jiān)測(cè)的終端。為了便于實(shí)現(xiàn)和演示，我們采用的監(jiān)測(cè)終端為燈光，微型電機(jī)，溫度和紅外開(kāi)關(guān)。將這些數(shù)據(jù)通過(guò)終端微控制器（單片機(jī)等）采集后通過(guò)RS232傳送給串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包，通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

目前的進(jìn)展情況：開(kāi)始做數(shù)據(jù)采集板（單片機(jī)系統(tǒng)）

隨著串口轉(zhuǎn)換設(shè)備的發(fā)展和Internet的廣泛普及，出現(xiàn)了類似于以太網(wǎng)交換設(shè)備的串口服務(wù)器，可以把提供RS232／485／422接口的終端裝置集中組網(wǎng)，然后通過(guò)以太網(wǎng)接口與上位機(jī)組成以太網(wǎng)，“讓全部設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)”已經(jīng)成為全世界企業(yè)的共識(shí)。

為了能跟上網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的潮流，不至于失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，必須建立高品位的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)監(jiān)控、即時(shí)成本管理的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。利用基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)來(lái)控制管理的設(shè)備硬件，無(wú)需投資大量的人力、物力來(lái)進(jìn)行管理、更換或者升級(jí)。

串口服務(wù)器就使得基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸成為了可能，它能將多個(gè)串口設(shè)備連接并能將串口數(shù)據(jù)流進(jìn)行選擇和處理，把現(xiàn)有的RS 232接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成IP端口的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行IP化的管理，IP化的數(shù)據(jù)存取，這樣就能將傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)送上流行的IP通道，而無(wú)需過(guò)早淘汰原有的設(shè)備，從而提高了現(xiàn)有設(shè)備的利用率，節(jié)約了投資，還可在既有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化布線復(fù)雜度。在制定設(shè)計(jì)方案和選定器件時(shí)遇到的技術(shù)難點(diǎn)是如何利用處理器對(duì)串口數(shù)據(jù)信息進(jìn)行TCP/IP協(xié)議處理，使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。

目前解決這個(gè)問(wèn)題很多時(shí)候采用32位MCU + RTOS方案，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP的協(xié)議處理。它的缺點(diǎn)是：1：對(duì)于需要改造的的設(shè)備數(shù)量一般不確定，難以找到具有合適的外設(shè)的cpu剛好來(lái)匹配，普通cpu一般功能較齊全，但是對(duì)于串口服務(wù)器而言，很多功能成為多余，而所需的功能卻有限。2：一般的cpu都不具備可更改外設(shè)功能，想升級(jí)就只能再加一個(gè)系統(tǒng)或者全部更換，勢(shì)必使成本大幅上升。3：由于硬件系統(tǒng)還涉及到數(shù)據(jù)線／地址線復(fù)用、串并轉(zhuǎn)換、器件中斷信號(hào)譯碼、時(shí)鐘信號(hào)生成、控制信號(hào)接入等功能，若是選用不同的器件來(lái)完成，勢(shì)必會(huì)造成許多諸如時(shí)延不均等問(wèn)題，所以往往還需要用了一片大容量的高性能可編程邏輯器件來(lái)完成上述所提到的功能。

那么現(xiàn)在采用帶MicroBlaze軟核處理器的FPGA系統(tǒng)就能克服上面的缺點(diǎn)，MicroBlaze軟核可以根據(jù)需要進(jìn)行配置，既可以配置成功能齊全但外設(shè)數(shù)量有限的內(nèi)核，也可以配置成功能單一，但是外設(shè)數(shù)量較多的內(nèi)核。這樣，針對(duì)大部分的應(yīng)用場(chǎng)合都有很好的適應(yīng)性，更方便升級(jí)，只需再配置相應(yīng)數(shù)量的外設(shè)即可。很明顯無(wú)需額外增加可編程邏輯器件，Spartan™-3本身就是功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的可編程邏輯器件，系統(tǒng)的集成度得到很大提高。

對(duì)簡(jiǎn)單和單一，一般沒(méi)有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)管理。高檔的多采用32位MCU + RTOS方案，主要是采用ARM系列，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP的協(xié)議處理。而近年隨著FPGA的大力發(fā)展，出現(xiàn)了軟核處理器，具備高度的可編程能力和可配置性，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈活性，使得我們構(gòu)建硬件環(huán)境非常方便，不用過(guò)多顧慮處理器的資源不合適或者不夠用，可以把主要精力放在軟件開(kāi)發(fā)和功能實(shí)現(xiàn)上。極大縮短開(kāi)發(fā)周期。

高性價(jià)比的Spartan™-3芯片可以在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)MicroBlaze CPU，集成2組UART接口，數(shù)據(jù)線／地址線復(fù)用、串并轉(zhuǎn)換、器件中斷信號(hào)譯碼、時(shí)鐘信號(hào)生成、控制信號(hào)接入等功能，一片F(xiàn)PGA就可以輕松完成上述所提到的功能。這種高度集成系統(tǒng)使得抗干擾能力大大增強(qiáng)，減小電路板體積，同時(shí)通信速率和穩(wěn)定性得到很大提高。

最重要的是當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)硬件需要擴(kuò)充或者升級(jí)時(shí)，基于FPGA的MicroBlaze系統(tǒng)很容易就實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗袃?yōu)異的配置性能。應(yīng)用程序需要升級(jí)時(shí)，只需在uclinux嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序就可以了，實(shí)現(xiàn)方便。所以可以這么說(shuō)，基于FPGA的MicroBlaze系統(tǒng)本身就是為了適應(yīng)靈活定制，系統(tǒng)集成，方便升級(jí)而出現(xiàn)的。

項(xiàng)目實(shí)施方案

1.方案基本功能框圖及描述

用框圖的方式并加以簡(jiǎn)單的描述簡(jiǎn)述實(shí)施本項(xiàng)目的技術(shù)方案。

系統(tǒng)框架圖：

軟件結(jié)構(gòu)圖：

2.需要的開(kāi)發(fā)平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)本方案所需要的基本功能、功能、接口

基本功能和接口：RS232，Ethernet，LCD，軟核處理器

所需要的目標(biāo)FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)，簡(jiǎn)述為什么需要此平臺(tái)

是否需要其它配套的開(kāi)發(fā)工具

Spartan 3E開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

首先平臺(tái)需要支持MicroBlaze軟核處理器。串口至少需要2個(gè)或者以上。有LCD顯示，支持以太網(wǎng)，低功耗。需要單片機(jī)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)至少2套。

2.方案實(shí)施過(guò)程中需要開(kāi)發(fā)的模塊

在本方案中需要研制、開(kāi)發(fā)的功能主要模塊，以及開(kāi)發(fā)的方式

單片機(jī)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，沒(méi)有的話，就自行開(kāi)發(fā)，自己做板，能提供更好。

3.系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)

論述本項(xiàng)目最終完成時(shí)所設(shè)想達(dá)到的目標(biāo)。

1．有一個(gè)簡(jiǎn)易的顯示系統(tǒng)。

2．能顯示IP化的數(shù)據(jù)包。

3．在uclinux嵌入式操作系統(tǒng)管理下同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。

需要的其它資源

1.設(shè)計(jì)輸入輸出功能子板

子板功能描述、接口說(shuō)明、時(shí)間、方式

子板功能：作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后送入FPGA處理。

接口說(shuō)明：RS232

2.測(cè)試設(shè)備

列出在方案實(shí)施過(guò)程中所需要的測(cè)試設(shè)備(萬(wàn)用表、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等)

萬(wàn)用表、示波器、電腦

3.方針、開(kāi)發(fā)工具

列出在方案實(shí)施過(guò)程中所需要的仿真、開(kāi)發(fā)工具等。

Keil 和ISE、modelsim