基于MicroBlaze的嵌入式串口服務(wù)器的設(shè)計實現(xiàn)，提供軟硬件架構(gòu)、原理

項目背景及可行性分析

項目名稱：基于MicroBlaze的嵌入式串口服務(wù)器的實現(xiàn)

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

目前的進展情況：開始做數(shù)據(jù)采集板（單片機系統(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)，然后通過以太網(wǎng)接口與上位機組成以太網(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。

為了能跟上網(wǎng)絡(luò)自動化的潮流，不至于失去競爭優(yōu)勢，必須建立高品位的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)監(jiān)控、即時成本管理的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。利用基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶崿F(xiàn)來控制管理的設(shè)備硬件，無需投資大量的人力、物力來進行管理、更換或者升級。

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，它能將多個串口設(shè)備連接并能將串口數(shù)據(jù)流進行選擇和處理，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，而無需過早淘汰原有的設(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)上簡化布線復(fù)雜度。在制定設(shè)計方案和選定器件時遇到的技術(shù)難點是如何利用處理器對串口數(shù)據(jù)信息進行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。

目前解決這個問題很多時候采用32位MCU + RTOS方案，在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)TCP/IP的協(xié)議處理。它的缺點是：1：對于需要改造的的設(shè)備數(shù)量一般不確定，難以找到具有合適的外設(shè)的cpu剛好來匹配，普通cpu一般功能較齊全，但是對于串口服務(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，想升級就只能再加一個系統(tǒng)或者全部更換，勢必使成本大幅上升。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、器件中斷信號譯碼、時鐘信號生成、控制信號接入等功能，若是選用不同的器件來完成，勢必會造成許多諸如時延不均等問題，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，MicroBlaze軟核可以根據(jù)需要進行配置，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，針對大部分的應(yīng)用場合都有很好的適應(yīng)性，更方便升級，只需再配置相應(yīng)數(shù)量的外設(shè)即可。很明顯無需額外增加可編程邏輯器件，Spartan™-3本身就是功能強大、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。

對簡單和單一，一般沒有實時操作系統(tǒng)進行多任務(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，大大增強了系統(tǒng)的設(shè)計靈活性，使得我們構(gòu)建硬件環(huán)境非常方便，不用過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發(fā)和功能實現(xiàn)上。極大縮短開發(fā)周期。

高性價比的Spartan™-3芯片可以在片內(nèi)實現(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、器件中斷信號譯碼、時鐘信號生成、控制信號接入等功能，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，減小電路板體積，同時通信速率和穩(wěn)定性得到很大提高。

最重要的是當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)硬件需要擴充或者升級時，基于FPGA的MicroBlaze系統(tǒng)很容易就實現(xiàn)，因為它有優(yōu)異的配置性能。應(yīng)用程序需要升級時，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)動和應(yīng)用程序就可以了，實現(xiàn)方便。所以可以這么說，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，方便升級而出現(xiàn)的。

項目實施方案

1.方案基本功能框圖及描述

用框圖的方式并加以簡單的描述簡述實施本項目的技術(shù)方案。

系統(tǒng)框架圖：

軟件結(jié)構(gòu)圖：

2.需要的開發(fā)平臺

實現(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開發(fā)平臺，簡述為什么需要此平臺

是否需要其它配套的開發(fā)工具

Spartan 3E開發(fā)平臺。

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

2.方案實施過程中需要開發(fā)的模塊

在本方案中需要研制、開發(fā)的功能主要模塊，以及開發(fā)的方式

單片機數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，沒有的話，就自行開發(fā)，自己做板，能提供更好。

3.系統(tǒng)最終要達到的性能指標(biāo)

論述本項目最終完成時所設(shè)想達到的目標(biāo)。

1．有一個簡易的顯示系統(tǒng)。

2．能顯示IP化的數(shù)據(jù)包。

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

需要的其它資源

1.設(shè)計輸入輸出功能子板

子板功能描述、接口說明、時間、方式

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

接口說明：RS232

2.測試設(shè)備

列出在方案實施過程中所需要的測試設(shè)備(萬用表、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等)

萬用表、示波器、電腦

3.方針、開發(fā)工具

列出在方案實施過程中所需要的仿真、開發(fā)工具等。

Keil 和ISE、modelsim