基于FPGA的SoC和嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

1、基于fpga的soc和嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)本系統(tǒng)立足于利用intemet實(shí)現(xiàn)核環(huán)境信息的遠(yuǎn)程采集。在實(shí)現(xiàn)上，采納了基于sopc技術(shù)的解決計(jì)劃，通過在中嵌入niosli軟核處理器和所需外設(shè)的ip core(硅學(xué)問產(chǎn)權(quán)核)，然后再配備相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)利用互聯(lián)網(wǎng)舉行信息的傳輸。另外，通過開發(fā)用于控制信息采集子系統(tǒng)的ip核，利用fpga固有的硬件并行特性，本系統(tǒng)做到了對(duì)多個(gè)信息源舉行真正意義上的并行監(jiān)控，即在舉行射線探測(cè)的同時(shí)也可以舉行射線和溫濕度等信息的獵取。1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，硬件上為了做到通用性，在結(jié)構(gòu)上劃分為兩部分，即用于完成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)耐ㄓ镁W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和用

2、于完成溫濕度、液位、及輻射總量測(cè)量等工作的環(huán)境信息采集子系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)分離l、圖2所示。兩個(gè)子系統(tǒng)通過一條40芯扁平電纜銜接。在軟件上，考慮到利用互聯(lián)網(wǎng)舉行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜性，用法嵌入式操作系統(tǒng)和tcpip協(xié)議棧是必定的挑選，因此硬件上也圍繞這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)舉行設(shè)計(jì)。11 niosii軟核cpuniosii軟核cpu是a137era公司推出的一種通用32位risc嵌入式處理器，它特殊為可編程規(guī)律舉行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并配備有功能完美的開發(fā)套件，包括c/c+編譯器、集成開發(fā)環(huán)境(ide)、jtag調(diào)試器等，是ara公司可編程單芯片系統(tǒng)解決計(jì)劃的核心。作為一個(gè)軟核處理器，niosii提供了可配置的硬件及軟件調(diào)

3、試特性，包括基本的jtag的運(yùn)行控制(運(yùn)行、停止、單步、存儲(chǔ)器等)、硬件斷點(diǎn)、數(shù)據(jù)觸發(fā)、片內(nèi)和片外跟蹤、嵌入式規(guī)律分析儀。這些強(qiáng)大的工具可以在開發(fā)階段用法，調(diào)試通過后便可以去掉，節(jié)約資源。niosii處理器還提供了高、中、低三種不同性能的內(nèi)核，通過與altera提供的超過60種ip核(uart、時(shí)鐘、dma、sdram、并行i0等)結(jié)合用法，設(shè)計(jì)師可以便利地針對(duì)特定的應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)在處理器、外設(shè)、存儲(chǔ)器和io接口方面都完善的計(jì)劃。除此以外，niosii還有無數(shù)其他優(yōu)秀的特性，如命令定制、硬件加速器等。12 網(wǎng)絡(luò)接口單元以太網(wǎng)接口芯片采納了smsc公司特地用于嵌入式產(chǎn)品的lan91c111迅速以太

4、網(wǎng)控制器。該芯片內(nèi)部同時(shí)集成了以太網(wǎng)介質(zhì)拜訪控制器(mac)及物理層(phy)，支持10100m全雙工傳輸模式、自動(dòng)商議及流控等功能。其主機(jī)接口具有同步、異步總線等多種工作模式，可以便利地與各種體系的cpu銜接。本設(shè)計(jì)中用法了異步總線接口模式，并與flash共用地址線和數(shù)據(jù)線，通過fpga上的適配模塊銜接到avalon片內(nèi)總線。13 存儲(chǔ)器單元因?yàn)榇鎯?chǔ)操作系統(tǒng)內(nèi)核、應(yīng)用程序代碼、程序數(shù)據(jù)等的需要，本系統(tǒng)用法了一片型號(hào)為am29lv320d的flash芯片。該芯片由amd公司推出，容量為4mb，支持cfi接口，其與avmon總線的銜接需要fpga內(nèi)部的總線適配模塊舉行時(shí)序匹配。sdram用于存儲(chǔ)

5、運(yùn)行期的程序代碼和數(shù)據(jù)，hy57v563220b(l)t為現(xiàn)代公司推出的容量達(dá)16mb的sdram，因?yàn)樵撔酒丝趯挾瓤蛇_(dá)32位，因此系統(tǒng)中用法單芯片即可。sdram讀寫時(shí)序比較復(fù)雜，需要在fpga中集成專用的sdram控制器ip核與其對(duì)接。2 總量計(jì)數(shù)ip核2所示，或探測(cè)器獲得的信號(hào)經(jīng)由兩級(jí)串接組成的線性脈沖放大器放大后送至以lm393為核心的甄別舉行比較，濾掉噪聲，輸出矩形的脈沖信號(hào)。對(duì)于這個(gè)信號(hào)的處理，以(微控制器)為核心的傳統(tǒng)核探測(cè)儀只能通過mcu上已有的硬件資源(如定時(shí)器)結(jié)合軟件來實(shí)現(xiàn)。這種辦法受制于硬件資源和mcu的速度，難以對(duì)多通道信號(hào)源舉行并行處理。本系統(tǒng)中，總量計(jì)數(shù)ip核即

6、是針對(duì)此問題而特地設(shè)計(jì)的硬件，用法語言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部接口符合avalon片內(nèi)總線從設(shè)備接口規(guī)范，可以便利地掛接在avalon總線上，作為niosii軟核cpu的一個(gè)專用外設(shè)?？偭坑?jì)數(shù)ip核是網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)fpga中子板接口的一部分，其結(jié)構(gòu)3所示。輻射總量測(cè)量與輻射總量測(cè)量原理類似，下面以測(cè)量為例介紹其工作原理。時(shí)鐘源模塊通過對(duì)主時(shí)鐘分頻產(chǎn)生一個(gè)o1秒的脈沖信號(hào)，作為定時(shí)器計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)源。定時(shí)器則根據(jù)指令寄存器傳過來的采集時(shí)光產(chǎn)生所需的定時(shí)信息。按照定時(shí)器的定時(shí)信息和指令寄存器的指令，控制計(jì)數(shù)器對(duì)測(cè)量模塊傳過來的脈沖信號(hào)舉行計(jì)數(shù)，從而獲得輻射總量的計(jì)數(shù)值，該計(jì)數(shù)值被存進(jìn)fifo中；而在另一側(cè)，nios

7、iicpu通過avalon總線向ip核的指令寄存器寫入相應(yīng)的指令字實(shí)現(xiàn)對(duì)各通道的控制，例如啟動(dòng)總量計(jì)數(shù)、關(guān)閉總量計(jì)數(shù)、設(shè)置采集時(shí)光及清空fifo等。值得注重的是，來自甄別電路的或計(jì)數(shù)脈沖是與本ip核工作時(shí)鐘異步的信號(hào)，而計(jì)數(shù)器的值終于是需要存人。fif0的，因此對(duì)或計(jì)數(shù)脈沖都以主時(shí)鐘舉行二次鎖存并整形，使每個(gè)異步計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生一個(gè)只持續(xù)一個(gè)主時(shí)鐘周期的同步脈沖。以該脈沖舉行計(jì)數(shù)，不僅解決了異步信號(hào)同步的問題，而且有效地濾除了干擾脈沖，使計(jì)敦值精確。3 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)利用intemet舉行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)在niosii上移植了microcos2實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和lwip(輕量級(jí)ip協(xié)議棧)

8、進(jìn)而在其上開發(fā)信息采集軟件。31 microcos2及l(fā)wip的移植此部分工作主要是針對(duì)本系統(tǒng)的特定硬件舉行移植并編寫如溫濕度sht75、總量計(jì)數(shù)ip核等所需的各種驅(qū)動(dòng)，因此深化了解軟件的各層結(jié)構(gòu)和詳情是移植勝利的關(guān)鍵。hal即硬件抽象層，是niosii開發(fā)套件的一部分，由altera公司提供，它封裝了系統(tǒng)中硬件操作的相關(guān)詳情，驅(qū)動(dòng)程序也作為它的一部分。hal共抽象了六種器件模型，包括字符模式器件、定時(shí)器件、文件子系統(tǒng)、以太網(wǎng)器件、dma器件和flash器件，并為每一類器件提供一系列的統(tǒng)一的初始化函數(shù)和拜訪函數(shù)接口，通過這種方式，hal向上一層提供了一個(gè)類posix的api接口，即硬件抽象層應(yīng)

9、用編程界面。針對(duì)niosii的軟件開發(fā)，其實(shí)是建立在hal之上，而非挺直面對(duì)niosii硬件本身。本系統(tǒng)測(cè)量模塊所對(duì)應(yīng)的各個(gè)接口ip核均屬于字符模式器件，因此驅(qū)動(dòng)程序需按hal中字符模式器件模型來舉行編寫。microcos2是一個(gè)適合于小型、微控制器的可剝奪實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它支持56個(gè)用戶任務(wù)，其內(nèi)核為占先式，支持信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等多種常用的進(jìn)程間通信機(jī)制，通過它為應(yīng)用程序提供所需的多任務(wù)環(huán)境。因?yàn)閙icrocos2自身并沒帶有協(xié)議棧，因此需要移植一個(gè)tcpip協(xié)議棧lwip，從而向上層提供了一個(gè)類似unix套接字的接口。lwip支持以下一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：ip、arp、icmf、udp、tcp

10、。該協(xié)議棧需要20kb的代碼存儲(chǔ)空間及4kb的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空問，同時(shí)在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)還需要添加一個(gè)專供其用法的定時(shí)器。圖4為分析得到的系統(tǒng)軟件的啟動(dòng)流程。在該流程圖中，alt_sys_init()用于初始化系統(tǒng)中的設(shè)備，在這個(gè)過程中會(huì)調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的初始化程序。lwip_stack_init()用于初始化tcpip協(xié)議棧。而tcpip_init_done()是一個(gè)在協(xié)議棧初始化后被調(diào)用的函數(shù)，通信服務(wù)器的任務(wù)也在其中創(chuàng)建。有一點(diǎn)需要注重的是。全部基于lwip的任務(wù)，都應(yīng)當(dāng)用法sys_thread_new()函數(shù)來創(chuàng)建，而不是挺直用法ostaskcreate()。最后，全部的初始化都預(yù)備好后，即調(diào)

11、用osstart()來啟動(dòng)rtos舉行任務(wù)調(diào)度。32 信息采集程序的設(shè)計(jì)本模塊作為一個(gè)任務(wù)，運(yùn)行于microcos2實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之上，完成對(duì)各個(gè)探測(cè)子系統(tǒng)基于策略或遠(yuǎn)程命令的測(cè)量控制，獵取的信息被保存到指定的內(nèi)存緩沖區(qū)，并按照要求將結(jié)果返回到遠(yuǎn)程主機(jī)上。對(duì)于溫濕度測(cè)量，因?yàn)閟ht75傳感器的濕度輸出呈一定的非線性，為了獵取精確數(shù)據(jù)，需要按照給定的公式對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)舉行修正，而溫度輸出則不需舉行補(bǔ)償，將數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值即可，詳見sht75數(shù)據(jù)手冊(cè)。對(duì)于總量計(jì)數(shù)的處理，本模塊只是容易地將數(shù)據(jù)打包后交給通信服務(wù)器傳回遠(yuǎn)程主機(jī)。33 通信服務(wù)器本任務(wù)通過sys_thread_new()函數(shù)創(chuàng)建，作為一個(gè)服務(wù)器監(jiān)聽商定的端口，等待遠(yuǎn)程主機(jī)的銜接，提取遠(yuǎn)程主機(jī)的指令，通過消息隊(duì)列將所獲得的指令發(fā)送到信息采集任務(wù)；同時(shí)也按照要求將信息采集任務(wù)獲得的各種數(shù)據(jù)分類發(fā)回遠(yuǎn)程主機(jī)。lwp提供了標(biāo)準(zhǔn)的berkeley套接字編程界面，這個(gè)界面提供了三種類型的套接字，在這里用法了流式套接字，這是一個(gè)面對(duì)銜接的牢靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，也就是說用法的是tcp協(xié)議。通常，服務(wù)器接收到并發(fā)服務(wù)哀求，要激活一新進(jìn)程來處理這個(gè)客戶哀求，但出于系統(tǒng)資源和簡化設(shè)計(jì)的考慮，在這里服務(wù)器同一時(shí)刻只能接受一個(gè)銜接哀求，而這種簡化實(shí)際上也是可以滿足設(shè)計(jì)需要的。本系統(tǒng)應(yīng)用基于fpga的片上