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嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器

嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的設計和應用
引言
    本文對嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究,提出用SOPC技術(shù)來(lái)解決控制器硬件設計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,實(shí)驗結果表明該系統運行穩定可靠隨著(zhù)工業(yè)以太網(wǎng)的大規模應用,嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)系統也越來(lái)越多地滲入到了工控領(lǐng)域,以ColdFire微處理器和ARM處理器為硬件平臺的嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)系統已經(jīng)得到了廣泛應用。但是,由于上述這些系統的開(kāi)發(fā)平臺并不完全針對工業(yè)以太網(wǎng)的應用情況,因此在實(shí)際應用中經(jīng)常出現硬件資源浪費或者資源不夠的問(wèn)題,開(kāi)發(fā)系統往往需要外接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?;赟OPC技術(shù)的NIOS處理器能解決這個(gè)難題。
      硬件設計
    控制器的硬件設計在SOPC Builder和QuartusII中完成。利用它們可以靈活定制NIOS CPU的各個(gè)特性甚至指令,可以使用Altera提供的大量IP來(lái)加快開(kāi)發(fā)NIOS外設的速度,提高外設的性能,還可以使用第三方IP,或VHDL、Verilog來(lái)定制外設。
        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、存儲器部分和外圍元件部分,如圖1所示。本文選用的FPGA是CYCLONE EP1C6。
          在SOPC Builder中需要設計的是FPGA部分,要建的NIOS系統包含的元件模塊有:一個(gè)NIOS CPU 核,用于連接NIOS核的Avalon總線(xiàn)控制器,一個(gè)存放啟動(dòng)和調試程序的內部存儲器Boot ROM,一個(gè)UART串行通信電路模塊(RS232核),一個(gè)內部定時(shí)器和一些通用I/O外圍接口模塊。為使NIOS系統正常工作,在FPGA外圍必須接有一個(gè)RS232通信口、RJ45、幾個(gè)發(fā)光管和數碼管以及16M的SRAM和4M的Flash ROM。
       軟件設計
    由于在硬件開(kāi)發(fā)中的NIOS CPU及其外設構成的系統是自定制的,存儲器、外設地址的映射等都各不相同,因此需要專(zhuān)有的SDK(軟件開(kāi)發(fā)包)。在完成NIOS的硬件開(kāi)發(fā)后,SOPC Builder能夠自動(dòng)生成SDK。
          軟件部分的開(kāi)發(fā)幾乎與通常的嵌入式系統的開(kāi)發(fā)沒(méi)有區別,唯一的不同只在于:這里的嵌入式系統是自己定制的、裁剪過(guò)的,受到硬件的局限小一些。
    考慮到性?xún)r(jià)比以及現場(chǎng)控制需要,控制器的操作系統采用了整個(gè)嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點(diǎn):
    1) 很高的靈活性。由于微處理器采用NIOS,使得系統資源能夠靈活調配,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),適應工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)數據的要求。
很高的集成度。由于NIOS具有豐富的接口資源,而m    2) Clinux裁減后體積非常小,且具備以太網(wǎng)功能,這樣可以很容易實(shí)現控制器的微型化、網(wǎng)絡(luò )化;
    3) 很高的實(shí)時(shí)性。本控制器在硬件和軟件設計時(shí)都充分考慮了系統的實(shí)時(shí)性。硬件設計中采用了高速A/D(500kHz)和多路D/A輸出,使得關(guān)鍵信號能及時(shí)采樣和輸出,保證了“硬實(shí)時(shí)”;操作系統中加入了RTlinux模塊,保證了“軟實(shí)時(shí)”。
      實(shí)際應用
    針對某企業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)需要,該控制器被應用到基于以太網(wǎng)的控制系統中。針對現場(chǎng)對網(wǎng)絡(luò )可靠性參數的嚴格要求,采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò )拓撲可以增加網(wǎng)絡(luò )的可靠性。 
           解決網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性問(wèn)題時(shí)采用了控制區域(Control Domain)的概念,將控制現場(chǎng)分區,減少各個(gè)控制區資源競爭的情況??刂茀^域之間通過(guò)交換式以太網(wǎng)交換機來(lái)通信。每個(gè)控制區域包含以太網(wǎng)交換機和嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器,以及一些變送器和執行機構,如圖2所示。該系統具有如下特點(diǎn):
    1) 靈活性。SOPC技術(shù)使系統硬件、軟件的設計和調試都十分方便。
    2) 可靠性??刂葡到y的網(wǎng)絡(luò )拓撲采用環(huán)形架構,大大增強了骨干網(wǎng)的可靠性。在控制網(wǎng)絡(luò )層,通過(guò)劃分控制區域,分散了控制風(fēng)險;而在控制區域內部采用嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器,集中控制整個(gè)控制區域,降低了控制成本。實(shí)踐證明這種分散結合集中的控制結構是十分有效的。
    3) 實(shí)時(shí)性。通過(guò)劃分控制區域,各個(gè)控制區域通過(guò)交換機連入骨干網(wǎng),而每個(gè)控制區域內的變送和執行結構的信息都不會(huì )占用骨干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )資源。這樣,每個(gè)控制區域的網(wǎng)絡(luò )負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計均考慮了實(shí)時(shí)性要求,在網(wǎng)絡(luò )層下進(jìn)一步提升了系統的實(shí)時(shí)性。
      結語(yǔ)
     本文對嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究,提出用SOPC技術(shù)來(lái)解決控制器硬件設計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,實(shí)驗結果表明該系統運行穩定可靠。

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