基于SOPC技術(shù)在嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用

1 引言

隨著以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用，嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)也越來(lái)越多的滲入到了工業(yè)控制領(lǐng)域。以Motorola ColdFire微處理器和ARM處理器為硬件平臺(tái)的嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)有大量文獻(xiàn)報(bào)道。

以上這些系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)并不完全針對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用情況，因?yàn)樾酒O(shè)計(jì)公司并不完全熟悉工業(yè)以太網(wǎng)的需要。因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中經(jīng)常出現(xiàn)硬件資源浪費(fèi)或者資源不夠的問(wèn)題，并且開發(fā)系統(tǒng)往往需外接PLD芯片來(lái)進(jìn)行外圍器件的邏輯控制，存在接口速率的瓶頸問(wèn)題。SOPC技術(shù)能解決這個(gè)難題。

2 SOPC技術(shù)

可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng):首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能;其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

2.1 SOPC

SOPC 結(jié)合了SOC和FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際上涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的全部?jī)?nèi)容，除了以處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、以 PCB和信號(hào)完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。由于SOPC的主要邏輯設(shè)計(jì)是在可編程邏輯器件內(nèi)部進(jìn)行，而BGA封裝已被廣泛應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如:邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進(jìn)行直接測(cè)試分析，因此，必將對(duì)以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)提出更高的要求。同時(shí)，新的調(diào)試技術(shù)也已不斷涌現(xiàn)出來(lái)，如Altera公司的嵌入式邏輯分析儀SignalTappII就是一種片內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)試工具;而在應(yīng)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)方面，諸如Altera公司的DSP Builader就是一個(gè)利用可編程硬件邏輯實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理算法的強(qiáng)大輔助工具。

2.2 NIOS

NIOS 是Altera公司以RISC為基礎(chǔ)的可配置、可裁減軟核處理器[2]。它具有16位指令集和16/32位數(shù)據(jù)通路，通過(guò)將包括16或32位高性能處理器在內(nèi)的多種應(yīng)用模塊嵌入到通用FPGA/CPLD內(nèi)，實(shí)現(xiàn)完全可配置的嵌入式系統(tǒng)。Nios軟核處理器主要特性包括:高效靈活的處理器模塊，可以通過(guò)軟件配置成16位或32位的中央處理單元，并可選擇不同的內(nèi)部存儲(chǔ)器大小，其最高執(zhí)行速度可達(dá)50MHz;具有多種其它功能模塊的選擇（SDRAM控制器、 UART控制器、PCI接口模塊、LCD接口模塊、MAC接口模塊等多種功能模塊）;具有完整、廉價(jià)、便捷的開發(fā)系統(tǒng)。所有開發(fā)（包括設(shè)計(jì)、調(diào)試）均通過(guò)軟件進(jìn)行，不再需要專門的硬件仿真器和編程器， 大大減少了開發(fā)設(shè)備的成本。

NIOS將CPU與PLD的功能集于一身，既簡(jiǎn)化了電路板設(shè)計(jì)，又不存在接口速率的瓶頸問(wèn)題，使整個(gè)系統(tǒng)在一塊芯片上就可以完成。

3 硬件設(shè)計(jì)

控制器的硬件設(shè)計(jì)流程就是為了定制合適的CPU和外設(shè)，在 SOPC Builder和QuartusII中完成。在這里可以靈活定制NIOS CPU的各個(gè)特性甚至指令，可以使用Altera提供的大量的IP Core來(lái)加快開發(fā)者開發(fā)NIOS外設(shè)的速度，提高外設(shè)的性能，也可以使用第三方的IP Core，或者使用VHDL、Verilog來(lái)自己定制外設(shè)。

嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件分為三個(gè)部分:FPGA部分、存儲(chǔ)器部分和外圍元件部分如圖1所示。本文選用的是FPGA是CYCLONE EP1C6。FPGA部分是建立在FPGA上的，核心是NIOS CPU Core，我們需要在SOPC Builder中需要設(shè)計(jì)的就是FPGA部分。要建的NIOS系統(tǒng)包含的元件模塊有:一個(gè)NIOS CPU核;用于連接NIOS核的Avalon總線控制器，一個(gè)存放啟動(dòng)和調(diào)試程序的內(nèi)部存儲(chǔ)器Boot ROM、一個(gè)UART串行通信電路模塊（RS-232核）、一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器和一些通用IO外圍接口模塊。為使NIOS系統(tǒng)正常工作，在FPGA外圍必須接有一個(gè)RS-232通信口、RJ45、幾個(gè)發(fā)光管和數(shù)碼管以及16M SRAM和4M Flash ROM。

圖1 SOPC工業(yè)以太網(wǎng)控制器硬件結(jié)構(gòu)

4 軟件設(shè)計(jì)

完成NIOS的硬件開發(fā)后，SOPC Builder可以幫助開發(fā)者生成相應(yīng)的SDK（軟件開發(fā)包）。這是由于在硬件開發(fā)中的NIOS CPU及其外設(shè)構(gòu)成的系統(tǒng)是自定制的，存儲(chǔ)器、外設(shè)地址的映射等都各不相同，需要的SDK也應(yīng)是專有的，SOPC Builder能夠自動(dòng)生成SDK。

在生成的SDK基礎(chǔ)之上，進(jìn)入軟件開發(fā)流程，在這個(gè)部分，開發(fā)幾乎與通常的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)沒有區(qū)別，唯一的不同只在于，嵌入式系統(tǒng)是自己定制的、裁剪過(guò)的，受到硬件的局限小一些。

控制器的操作系統(tǒng)考慮到性價(jià)比以及現(xiàn)場(chǎng)控制需要，采用了uClinux。uClinux是一個(gè)完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼，其是專門為控制領(lǐng)域而裁減設(shè)計(jì)的嵌入式操作系統(tǒng)。

uClinux 從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來(lái)，沿襲了主流Linux的絕大部分特性[5]。它是專門針對(duì)沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元（MMU）的處理器。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。

在GNU通用公共許可證（GNU GPL）的保證下，運(yùn)行uClinux操作系統(tǒng)的用戶可以使用幾乎所有的Linux API函數(shù)，不會(huì)因?yàn)闆]有MMU而受到影響。由于uClinux在標(biāo)準(zhǔn)的Linux基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)牟眉艉蛢?yōu)化，形成了一個(gè)高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，uClinux仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對(duì)各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API等。在開發(fā)應(yīng)用程序之前，先將uClinux移植到NIOS處理器中來(lái)。

特別的為了應(yīng)用到工業(yè)實(shí)時(shí)領(lǐng)域，本文進(jìn)一步增強(qiáng)uClinux的實(shí)時(shí)性。

整個(gè)嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點(diǎn):

控制器具有很高的靈活性。這是本文設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)控制器的最大特點(diǎn)。由于微處理器采用Altera公司的NIOS，使得系統(tǒng)資源能夠靈活調(diào)配，并且克服了采用其它處理器中存在的接口速率瓶頸的缺點(diǎn)，適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的要求。

控制器具有很高的集成度。由于NIOS具有豐富的接口資源，而uClinux裁減后體積非常小，而且具備以太網(wǎng)功能，這樣可以很容易實(shí)現(xiàn)控制器的微型化、Internet化;

控制器具有很高的實(shí)時(shí)性。在設(shè)計(jì)硬件和軟件時(shí)都充分考慮了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。硬件設(shè)計(jì)中采用了高速的A/D（500khz）和多路D/A輸出，使得關(guān)鍵信號(hào)能及時(shí)采樣和輸出，保證了“硬實(shí)時(shí)”;操作系統(tǒng)中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實(shí)時(shí)”。

5 實(shí)際應(yīng)用

針對(duì)某企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需要，將該型控制器應(yīng)用到基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)中。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性參數(shù)的嚴(yán)格要求，在控制層網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)傳統(tǒng)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

而解決網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題則采用了控制區(qū)域（Control Domain）概念，將控制現(xiàn)場(chǎng)分區(qū)，減少各個(gè)控制區(qū)資源競(jìng)爭(zhēng)的情況。而控制區(qū)域之間的是通過(guò)交換式以太網(wǎng)交換機(jī)來(lái)通信。

每個(gè)控制區(qū)域（Control Domain）包含以太網(wǎng)交換機(jī)和嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器，以及一些變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖2所示。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):

圖2 設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1） 靈活性。由于控制器采用了NIOS微處理器，能夠靈活配置處理器的硬件資源，克服了接口數(shù)據(jù)傳輸速率的瓶頸，利用SOPC技術(shù)，系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試都十分方便。

（2） 可靠性。控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎铆h(huán)形架構(gòu)，大大增強(qiáng)了骨干網(wǎng)的可靠性。在控制網(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)劃分控制區(qū)域，分散了控制風(fēng)險(xiǎn);而在控制區(qū)域內(nèi)部采用嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器，集中控制整個(gè)控制區(qū)域，降低了控制成本。實(shí)踐證明這種分散結(jié)合集中的控制結(jié)構(gòu)是十分有效的。

（3） 實(shí)時(shí)性。通過(guò)劃分控制區(qū)域，各個(gè)控制區(qū)域通過(guò)交換機(jī)連入骨干網(wǎng)，而每個(gè)控制區(qū)域內(nèi)的變送和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的信息都不會(huì)占用骨干網(wǎng)絡(luò)資源。這樣，每個(gè)控制區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載可以降到很低的程度（<5％）。提高了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件和軟件設(shè)計(jì)均考慮了實(shí)時(shí)性要求，這樣在網(wǎng)絡(luò)層下進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

6 結(jié)論

本文對(duì)嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器進(jìn)行了開發(fā)研究，提出用SOPC技術(shù)來(lái)解決控制器硬件設(shè)計(jì)中存在的接口速率瓶頸問(wèn)題，提高了控制器的實(shí)時(shí)性，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。