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在高温、高压、强放射性等恶劣环境下,由于测量者不能长期置身其中,使得测控非常困难。在Nios II软核CPU上移植μ c/OS-II实时操作系统和TCP/IP协议栈,容易实现网络通信,为远程测控提供了条件。以此为基础设计的嵌入式系统具有结构小巧、实时性强、稳定性高等特点,在工业测控领域中应用前景广泛。
1 远程测控系统的硬件架构 远程测控系统的硬件架构如图1所示。从图中可以看出,Nios II软核CPU及各种所需的外设IP均通过SOPCBui lder集成在一片FPGA中,构成本系统所需硬件的可重构部分,实现真正的可编程片上系统(SOPC)。 1.1 I P核设计 为了在低成本情况下完成预定功能,选择了Cyclone FPGA系列器件中的EP1C6。EP1C6无论从逻辑资源还是存储器均能满足设计要求。在本系统中,我们设计或选用了如下主要的IP核。 1.1.1 UART带Avalon接口的通用异步接收器/发送器。UART内核执行RS-232协议,它为FPGA上的嵌入式系统和外部设备提供了串行字符流的通信方式。带Avalon接口的JTAG-UART内核还提供Nios CPU系统到PC机的连接通路,通过JTAG-UART在PC机上调试NiosCPU所需要的程序,并通过监控程序对整个系统的运行进行控制。 1.1.2 GPIO。并行输入/输出内核。它提供Avalon从控制器端口到通用I/O口间的映射接口。该IP核是常规的外设控制接口。通过GPIO,对内控制SOPC系统中的其他部分,对外充当并行I/O接口,读取开关量,对LED、LCD等外设进行控制。 1.1.3 SDRAM 该IP核是外部存储器SDRAM的控制接口。通过它完成SDRAM的时序控制。软件设计中, SDRAM的时序控制对用户是完全透明的。 1.1.4 EPCS。带Avalon接口的EPCS设备控制器内核。该IP核允许Nios II系统访问EPCS串行配置芯片,该芯片主要用于存储程序代码或一些非易失性数据。 1.1.5三态总线桥。该IP核是Avalon和Avalon-TriBUS总线以及Avalon和Wishbone总线的桥接控制器,用于连接两种不同总线。考虑有些外设需要自行开发I2CIP核,这些外设不能直接连到Avalon总线上,需要通过桥接控制器。 1.2 检测和执行模块 由于远程测控系统设计的目的不同,该模块选用的IP核也不完全相同。SOPC Builder自带的IP库中并不包含I2C配置接口模块,该模块需要根据配制芯片的寄存器特点和功能进行专门设计,并以I2C核的形式通过SOPCBuilder连接到系统的Avalon总线上。 1.3 传输接口模块 本系统有三种数据传输方式:串口、USB接口和以太网接口。串口、USB接口通过UART接Avalon总线。以太网接口芯片选用了SMSC公司的LAN91c11 1芯片,该芯片内部集成了以太网介质访问(MAC)及物理层收发器(PHY),支持10/1OOM全双工传输模式、自动协商等功能。LAN91C111芯片通过FPGA内的适配器模块连接到EP1C6内部的Avalon总线上,从而实现系统接入Internet。 2 远程测控系统的软件体系 本系统有两大功能:数据的远程采集及传送。考虑到使用互联网进行远程数据传输的复杂性,在设计中使用嵌入式操作系统和TCP/IP协议栈是必然选择。 软件系统体系结构如图2所示。主要包括嵌入式操作系统的移植;网络协议栈的实现;应用级代码编写等部分。为了方便用户编程,Nios II IDE提供了设备驱动程序,即硬件抽象层(HAL)系统库。HAL应用程序接口(API)与ANSI C标准库综合在一起,可以使用类似C语言的库函数来访问硬件设备或文件,如printf()、fopen()等,而无须关心底层硬件的实现细节。 2.1 移植μC/OS-II和LWIP μC/OS-II是一种可移植、可固化、占先式多任务实时操作系统内核。其规模较小、实时性和可靠性较高,Nios II集成开发环境(IDE)对μ C/OS-II具有良好的支持,故μC/OS-II是嵌入式操作系统的首选。它通过为每个任务分配单独的任务堆栈来保存任务工作环境,提供任务管理和调度服务。 轻量级网络协议(Lightweight IP,LWIP)是TCP/IP协议栈的一种实现,它是一种专门针对嵌入式系统应用而设计的网络通信协议,由于LWIP实现的关键在于削减代码大小和内存消耗,但可以完成传统的TCP/IP协议的大部分功能,通常只需要大约40K的ROM和几十K的RAM即可运行,在网络协议栈初始化后,使用标准套接字API创建新任务访问网络协议栈。 2.2 通信服务器 本任务通过sys_thread_new()函数创建,作为服务器监听约定的端口,等待远程主机的连接,提取远程主机的命令,通过消息队列将所获得的命令发送到测控任务。LWIP提供了标准的Berkeley套接字编程界面,这个界面提供了三种类型,这里使用了流式套接字,这是一个面向连接、可靠的数据传输服务,数据无差错、无重复地发送,按发送顺序接收。通常服务器接收到并发服务请求后,要激活一个新进程来处理这个客户请求。 3 远程测控系统的实现 3.1 系统初始化 系统初始化是指系统上电复位后到运行main()函数前,初始化硬件,构建应用程序运行环境的过程。如图3所示,Nios II的HAL程序库为用户提供了这段代码,代码的入口标号是“reset”。 程序先对CPU进行初始化,其功能包括初始化指令和数据Cache,设置堆栈指针(stack Pointer)等,然后调用“alt main()”函数。 alt main()函数对CPU及外设初始化,其功能包括调用alt os int()函数初始化OS,默认情况下完成对μC/OS-II初始化,调用alt_sys_int()函数初始化系统设备及软件模块等,然后调用“main()”函数。 3.2 主函数main() 主函数“main()”负责进行网络监听,响应终端的TCP连接请求。若同时要求能与多个终端建立TCP连接和传输数据,需要为每个终端的网络数据处理都开辟一个新的线程,主函数的流程如图4所示。 服务器为每个客户端都开一个线程专门与之进行socket通信。Socket数据处理线程主要包括三个方面工作:从套接字上接收数据包;解析并存储数据包;打包并发送数据包等。 3.3 远程测控实验 为验证设计方案,选用瑞士SENSIRION公司生产的传感器SHT75,测控温、湿度,该一体化数字式传感器将敏感元件、信号放大器、模数转换器、数字接口电路集成在同一芯片上,使用I2C IP核可以方便地和处理器连接。实验结果表明,该设计切实可行。 4 结束语 本设计基于SOPC和嵌入式系统技术,实现了远程测控的要求。此设计可应用于各种恶劣环境,稍加改进,也可适用于网络信息家电、家庭安全等方面。随着芯片技术和总线技术的发展,嵌入式远程网络化测控在工业中的应用定会更加广泛。 |
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