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引言 隨著以太網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)漸漸成為自動化控制系統(tǒng)里主流的高速率的通信方式，工業(yè)以太網(wǎng)技術已然成為一個獨立發(fā)展的分支。EPA是我國第一個擁有自主知識產(chǎn)權、并被國際標準化組織接收和采用的工業(yè)自動化標準。該標準是一種基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙等信息網(wǎng)絡通信技術的，適用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動化儀器儀表相互間數(shù)據(jù)通信的工業(yè)控制網(wǎng)絡通信標準。 大量的EPA現(xiàn)場設備都是通過加裝EPA通信卡來進行通信，該通信卡的處理器多數(shù)采用ARM核。近年來，隨著半導體技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的芯片設計方法正在進行一場*，其標志就是系統(tǒng)芯片（SoC）被業(yè)界廣泛接受，并成為研究和開發(fā)的熱點。隨著SoC技術應運而生的是SOPC 技術——它結合了SoC和FPGA的優(yōu)點：可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)中可編程的功能。SOPC能夠提供更好的性能以及更低的功耗，有效節(jié)省電路板空間并降低產(chǎn)品的總成本，電子工業(yè)正逐漸向SOPC設計轉移，使SOPC成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的最佳選擇之一。因此，在充分研究了EPA網(wǎng)絡通信和SOPC技術的基礎上，開發(fā)出一種基于SOPC技術的EPA控制器。 1 SOPC技術 SOPC技術是美國Altera公司于2000年最早提出的，并同時推出了相應的開發(fā)軟件Quartus II。SOPC是基于FPGA解決方案的SoC，與ASIC的SoC解決方案相比，SOPC系統(tǒng)及其開發(fā)技術具有更多的特色，并具備以下的基本特征：至少包含一個以上的嵌入式處理器IP核；具有小容量片內(nèi)高速RAM資源；豐富的IP核資源可供靈活選擇；有足夠的片上可編程邏輯資源；處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口共用或并存；可包含部分可編程模擬電路；單芯片、低功耗。 
圖1是基于FPGA的EPA控制器的硬件結構框圖 SOPC是一種新的系統(tǒng)設計技術，也是一種新的軟硬件綜合設計技術。通過它，可以很快地將硬件系統(tǒng)（包括微處理器，存儲器，外設以及用戶邏輯電路等）和軟件設計都放在一個可編程的FPGA芯片中，以達到系統(tǒng)的IC設計。這種設計方式，具有開發(fā)周期短以及系統(tǒng)可修改等優(yōu)點。設計完成的SOPC可以通過HARDCOPY轉為ASIC芯片，從而可以實現(xiàn)快速量產(chǎn)。2 EPA現(xiàn)場控制器設計 針對控制系統(tǒng)中連接管理網(wǎng)、控制網(wǎng)和現(xiàn)場設備單元的要求，采用SOPC技術、現(xiàn)場總線技術和自動控制技術，設計一種適用于EPA工業(yè)以太網(wǎng)的控制器，并在其可編輯軟核的CPU處理器上實現(xiàn)了實時操作系統(tǒng)及EPA通信協(xié)議棧。該EPA現(xiàn)場控制器可實現(xiàn)實時控制信息的輸入輸出，并對以太網(wǎng)上的其他的EPA設備進行監(jiān)控、顯示和故障報警。本文將針對該EPA控制器的基于SOPC技術的CPU核心處理模塊和通信處理模塊分別進行說明。 2.1 EPA現(xiàn)場控制器的硬件設計總體方案 整個設計中，硬件上實現(xiàn)EP1C12Q240C8芯片、LAN91C111芯片的外圍接口電路的設計；實現(xiàn)了串口通信和網(wǎng)絡通信的設計；實現(xiàn)了復位電路、JTAG、時鐘電路、電源電路的設計；實現(xiàn)了鍵盤電路、LCD顯示電路、蜂鳴器報警電路的設計；實現(xiàn)了HY57V641620芯片、AM29LV160芯片外圍電路的設計，拓展了豐富的存儲器資源，可移植linux、windows CE操作系統(tǒng)等；拓展了總線接口，可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際需要接入相應的板卡（如DI/DO模塊、AI/AO模塊，實現(xiàn)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)之間的數(shù)模、模數(shù)轉換、拓展MMC存儲卡，拓展其存儲容量等）。 在設計時，考慮到由于該控制器的結構、功能較為復雜，涉及到的器件種類較多。所以在設計時，將硬件板卡分為兩部分來做。第一部分：CPU核心處理模塊，包含CPU處理器EP1C12Q240C8、存儲器（FLASH、SDRAM）、電源部分、時鐘源、JTAG、EPCS下載口和復位電路。第二部分：通信處理模塊，包含網(wǎng)絡通信（LAN91C111網(wǎng)卡芯片和RJ45）、串口通信（MAX3232）、LCD接口、鍵盤接口和蜂鳴器。 2.2 基于SOPC技術的CPU核心處理模塊 整個方案的實現(xiàn)是以接入實時工業(yè)以太網(wǎng)絡為目的，在芯片內(nèi)部實現(xiàn)部分EPA協(xié)議，同時控制器實現(xiàn)對工業(yè)以太網(wǎng)上的其他設備的監(jiān)控、顯示及數(shù)據(jù)分析。設計中采用Altera公司的新一代低成本的FPGA芯片EP1C12Q240C8芯片，該芯片包含有12060LE（邏輯單元），可根據(jù)實際需要，配置其NIOSⅡCPU軟核、與CPU相連的片內(nèi)外設和存儲器以及與片外存儲器和片外設備相連的接口等。
圖2是芯片系統(tǒng)結構框圖 整個CPU處理器的硬軟件設計均在Quartus II 5.1版本上實現(xiàn)。NIOSⅡ處理器核是Altera公司的第二代用戶可配置的通用32位RISC軟核微處理器，是Altera公司特有的基于FPGA架構的可配置的軟CPU內(nèi)核，其特性和外設可根據(jù)實際需要進行增加或剪裁。所有NIOSⅡ處理器系統(tǒng)使用統(tǒng)一的指令和編程模型，并有三種類型以滿足不同設計的要求，分別是快速型、經(jīng)濟型和標準型。在本控制器中，所定制的NIOSⅡ軟核選用快速型，該內(nèi)核處理速度為49DMIPS，耗費的邏輯門數(shù)為1400~1800LE，同時帶有硬件乘法器和硬件除法器。根據(jù)EPA網(wǎng)絡對控制器的要求，添加與CPU相連的片內(nèi)外設和片外設備接口：SDRAM控制器、片內(nèi)RAM、三態(tài)橋、UART、定時器、通用I/O口、LCD顯示驅動電路和以太網(wǎng)接口。按照設計要求，在Quartus II 5.1版本下的對CPU的配置情況如圖3所示。FPGA芯片可根據(jù)實際需要靈活地增加功能，同樣對不必要的功能也可進行刪減，以滿足快速、高效和低成本的設計。在配置完CPU處理器的內(nèi)部結構以后，按照設計需要對CPU的外圍進行配置。由于該控制器是接入EPA網(wǎng)絡，需要實現(xiàn)EPA協(xié)議，而FPGA芯片EP1C12Q240C8的內(nèi)部只有288K的RAM，所以在片外擴展了16M bits的FLASH-AM29LV160D和64M bits的SDRAM-HY57V641620的。從外部引入12V的直流電源，經(jīng)過電平轉換以后得到3.3V和1.5V的電源，為CPU、存儲器及其他受電設備供電。CPU上的時鐘源使用的是50MHz的鐘振。JTAG和EPCS下載口用于硬軟件的下載。將在Quartus Ⅱ上編輯的硬件程序和軟件程序通過JTAG和EPCS下載口，下載到FLASH和RAM（片內(nèi)或者片外）中，可進行在線調(diào)試。該復位電路是由10KW電阻、10mF電容和按鍵組成，可實現(xiàn)按鍵低電平復位和上電低電平復位。
圖3 EP1C12Q240C8芯片配置情況 2.3 通信處理模塊整個設計以FPGA芯片EP1C12Q240C8為數(shù)據(jù)處理中心，通過網(wǎng)絡通信，完成對工業(yè)以太網(wǎng)上的其他設備的數(shù)據(jù)通信，同時通過MAX3232實現(xiàn)和上位機的串口通信。在該模塊中，加入了LCD接口、行列式鍵盤接口和蜂鳴器接口，對工業(yè)以太網(wǎng)上的其他EPA設備進行監(jiān)控和顯示，有較好的人機交互的功能。 在該設計中，網(wǎng)絡通信分為有線和無線兩種通信方式。其中，有線網(wǎng)絡通信使用的是10M/100M的LAN91C111的自適應網(wǎng)卡芯片，并通過RJ45網(wǎng)口接入EPA網(wǎng)絡。LAN91C111是SMSC公司為嵌入式應用系統(tǒng)推出的第三代快速以太網(wǎng)控制器。LAN91C111的芯片上集成了遵循SMSC/CD協(xié)議的MAC（媒體層）和PHY（物理層），符合IEEE802.3/802.U-100Base-Tx/10Base-T規(guī)范。在本控制器上預留了藍牙模塊和ZigBee模塊的無線通信接口，作為輔助處理模塊。可根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際情況，接入無線通信模塊，實現(xiàn)與EPA網(wǎng)絡的無線通信，通過該模塊能夠監(jiān)測無線現(xiàn)場設備的運行情況及相關參數(shù)。 在整個EPA通信協(xié)議棧網(wǎng)絡層和傳輸層接收報文處理流程中。NIOSⅡ處理器復位后初始化UC/OS Ⅱ操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡接口、堆棧以及定時器等外圍設備接口。從外部存儲器FLASH中獲取IP地址和MAC地址等網(wǎng)絡信息。當收到的報文IP地址和MAC地址都是本機地址時，把報文以LWIP所要求的特殊結構體形式存儲在接收緩沖區(qū)中，然后發(fā)送到EPA協(xié)議棧中進行處理，當檢查到UDP端*是0x88BC時，將報文交由EPA應用層處理模塊進行處理。 其部分報文處理程序如下： /*報文發(fā)送*/ void SendTask（void *pdata）{ struct netconn *conn; struct ip_addr remote_addr,local_addr; struct netbuf * buf; struct udp_pcb * udpbuf; struct pbuf * buf; char text[] = "A static test"; /*設置遠程主機的IP地址*/ remote_addr.addr = htonl（0x8080023D）； /*設置本地主機的IP地址*/ local_addr.addr = htonl（0x80800233）； for（；；）{ /*建立一個新連接*/ conn = netconn_new（NETCONN_UDP）； /*綁定本地IP地址和端**/ netconn_bind（conn,&local_addr,0x88BC）； /*連接遠程主機*/ netconn_connect（conn,&remote_addr,0x88BC）； buf = netbuf_new（）； /*建立任意的數(shù)據(jù)*/ netbuf_ref（buf,text,sizeof（text））； netconn_send（conn,buf）； netconn_delete（conn）； netbuf_delete（buf）； OSTimeDlyHMSM（0,0,1,0）； buf = pbuf_alloc（PBUF_RAW, 60, PBUF_RAM）； memcpy（buf->payload,text, sizeof（text））； udpbuf = udp_new（）； udpbuf->local_port = 0x88bc; udpbuf->remote_port = 0x88bc; udpbuf->local_ip = local_addr; udpbuf->remote_ip = remote_addr; udp_bind（udpbuf, &udpbuf->local_ip, udpbuf->local_port）； udp_sendto（udpbuf,buf,&remote_addr,udpbuf->remote_port）； udp_remove（udpbuf）； //釋放 udp_pcb內(nèi)存 pbuf_free（buf）； OSTimeDlyHMSM（0,0,1,0）； /* Main initializes lwIP, creates a single task and starts task scheduler. */ void ReceiveTask（void * pdata）{//該任務 和IP協(xié)議棧相關，該任務由 _sys_thread_new函數(shù)來創(chuàng)建 struct netbuf * buf1,*buf2,*buf1_temp; struct netconn * conn1,*conn2; void * payload; u16_t len; struct ip_addr remote_addr,local_addr; char text[] = "I get a EPA packet,please give me another,I need you, baby."; remote_addr.addr = htonl �。�0x8080023D）； local_addr.addr = htonl（0x80800233）； conn1 = netconn_new（NETCONN_ UDP）； conn2 = netconn_new（NETCONN_ UDP）； netconn_bind（conn2, &local_addr, 0x88bc）； netconn_connect（conn2,&remote_addr, 0x88BC）； netconn_bind（conn1, &local_addr, 0x88bc）； while（（buf1_temp = netconn_recv �。╟onn1））！=NULL）{ //關于netbuf的結構可以參看api.h文件，在該結構體中，成員p是指向pbuf的一個指針 buf1 = netbuf_new（）； buf1 = buf1_temp; payload = buf1->p->payload; len = buf1->p->len; netbuf_delete（buf1）； buf2 = netbuf_new（）； netbuf_ref（buf2,text,sizeof（text））； netconn_send（conn2,buf2）； netbuf_delete（buf2）；
圖4 EPA協(xié)議棧接收報文處理流程圖 3 結語在完成了整個設計后，只需將控制器接入EPA網(wǎng)絡中就能夠正常運行了。由于控制器中的處理器使用的是FPGA芯片，有較強的靈活性，能夠進行編程、除錯、再編程和重復操作，因而可以充分地進行設計開發(fā)和驗證。當電路有少量改動時候，更凸現(xiàn)出其優(yōu)勢，其現(xiàn)場編程能力可以延長產(chǎn)品在市場上的壽命，可以用來系統(tǒng)升級，從而大大提高了控制器的性能。 |
