嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的設(shè)計和應(yīng)用

　　隨著工業(yè)以太網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用，嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)也越來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(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于上述這些系統(tǒng)的開發(fā)平臺并不完全針對工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用情況，因此在實際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)硬件資源浪費或者資源不夠的問題，開發(fā)系統(tǒng)往往需要外接PLD芯片來進行外圍器件的邏輯控制，存在接口速率的瓶頸問題。基于SOPC技術(shù)的NIOS處理器能解決這個難題。
      
　　硬件設(shè)計
      
　　控制器的硬件設(shè)計在SOPC Builder和QuartusII中完成。利用它們可以靈活定制NIOS CPU的各個特性甚至指令，可以使用Altera提供的大量IP來加快開發(fā)NIOS外設(shè)的速度，提高外設(shè)的性能，還可以使用第三方IP，或VHDL、Verilog來定制外設(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(shè)計的是FPGA部分，要建的NIOS系統(tǒng)包含的元件模塊有：一個NIOS CPU 核，用于連接NIOS核的Avalon總線控制器，一個存放啟動和調(diào)試程序的內(nèi)部存儲器Boot ROM，一個UART串行通信電路模塊(RS232核)，一個內(nèi)部定時器和一些通用I/O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RS232通信口、RJ45、幾個發(fā)光管和數(shù)碼管以及16M的SRAM和4M的Flash ROM。
      
　　軟件設(shè)計
      
　　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，存儲器、外設(shè)地址的映射等都各不相同，因此需要專有的SDK(軟件開發(fā)包)。在完成NIOS的硬件開發(fā)后，SOPC Builder能夠自動生成SDK。
      
　　軟件部分的開發(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：這里的嵌入式系統(tǒng)是自己定制的、裁剪過的，受到硬件的局限小一些。

　　Clinux。考慮到性價比以及現(xiàn)場控制需要，控制器的操作系統(tǒng)采用了
      
　　整個嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點：
     
　　1) 很高的靈活性。由于微處理器采用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，適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的要求。
     
　　2) Clinux裁減后體積非常小，且具備以太網(wǎng)功能，這樣可以很容易實現(xiàn)控制器的微型化、網(wǎng)絡(luò)化；很高的集成度。由于NIOS具有豐富的接口資源，而
    
　　3) 很高的實時性。本控制器在硬件和軟件設(shè)計時都充分考慮了系統(tǒng)的實時性。硬件設(shè)計中采用了高速A/D(500kHz)和多路D/A輸出，使得關(guān)鍵信號能及時采樣和輸出，保證了“硬實時”；操作系統(tǒng)中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實時”。
     
　　實際應(yīng)用
     
　　針對某企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場需要，該控制器被應(yīng)用到基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)中。針對現(xiàn)場對網(wǎng)絡(luò)可靠性參數(shù)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)的實時性問題時采用了控制區(qū)域(Control Domain)的概念，將控制現(xiàn)場分區(qū)，減少各個控制區(qū)資源競爭的情況?？刂茀^(qū)域之間通過交換式以太網(wǎng)交換機來通信。每個控制區(qū)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(zhí)行機構(gòu)，如圖2所示。該系統(tǒng)具有如下特點：
     
　　1) 靈活性。SOPC技術(shù)使系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計和調(diào)試都十分方便。
     
　　2) 可靠性?？刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲采用環(huán)形架構(gòu)，大大增強了骨干網(wǎng)的可靠性。在控制網(wǎng)絡(luò)層，通過劃分控制區(qū)域，分散了控制風(fēng)險；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，集中控制整個控制區(qū)域，降低了控制成本。實踐證明這種分散結(jié)合集中的控制結(jié)構(gòu)是十分有效的。
     
　　3) 實時性。通過劃分控制區(qū)域，各個控制區(qū)域通過交換機連入骨干網(wǎng)，而每個控制區(qū)域內(nèi)的變送和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的信息都不會占用骨干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源。這樣，每個控制區(qū)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)的實時性。嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件和軟件設(shè)計均考慮了實時性要求，在網(wǎng)絡(luò)層下進一步提升了系統(tǒng)的實時性。
     
　　結(jié)語
     
　　本文對嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器進行了開發(fā)研究，提出用SOPC技術(shù)來解決控制器硬件設(shè)計中存在的接口速率瓶頸問題，提高了控制器的實時性，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。