在植入8051微處理器的FPGA芯片中實現(xiàn)接觸網(wǎng)故障信號分析儀的設(shè)計

引言

隨著芯片規(guī)模的越來越大、資源的越來越豐富， 芯片的設(shè)計復(fù)雜度也大大增加。事實上， 在芯片設(shè)計完成后， 有時還需要根據(jù)情況改變一些控制， 這在使用過程中會經(jīng)常遇到。這時候如果再對芯片設(shè)計進行改變將是很不可取的， 因為需要設(shè)計人員參與這種改變， 這無論是對設(shè)計者還是用戶都是不能接受的。于是就有必要讓這種可以改變的簡單控制在芯片設(shè)計時就存在， 而且同時還應(yīng)該使這種改變相對容易， 比較通用， 并且與芯片的其它設(shè)計部分盡量不相關(guān)。為了滿足上述的要求， 在FPGA中嵌入一個IP核是比較理想的選擇， 而這個即通用又控制簡單的IP核最好選擇8051微處理器。

在FPGA中植入8051后， 還可在上面實現(xiàn)簡單的TCP/IP協(xié)議， 以支持遠程訪問或進行遠程調(diào)試， 這只是在嵌入FPGA的8051上的一個應(yīng)用。為了保證用戶能夠?qū)?051實現(xiàn)不同的控制操作，設(shè)計時也可以采用一個外部flash對8051進行加載， 這樣， 用戶只需要將編譯好的匯編語言代碼加到flash就可以控制8051的工作， 而此時用戶完全不需要對FPGA進行操作就能實現(xiàn)簡單的控制，而這需要的僅僅只是keil的編譯環(huán)境。

1 IP核8051的FPGA實現(xiàn)

現(xiàn)在有許多免費的8051核可以利用， 這些核都可通過硬件描述語言來實現(xiàn)， 并且基本上都可綜合， 也就是直接拿來就能用， 需要的只是根據(jù)自身的具體需求做一些簡單修改即可?？偟恼f來， IP核8051的移植是比較簡單的。

本系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)可以采用oregano system的mc8051內(nèi)核， 并且加入定時計數(shù)的和串口模塊， 8051單片機的設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在8051核的FPGA設(shè)計中， 完全可以實現(xiàn)包括計時/計數(shù)、中斷、串口、數(shù)據(jù)及程序存儲器、特殊寄存器、布爾處理的位處理機等的所有功能， 而且兼容所有指令， 只是在具體的移植過程中做一些改變而已。

這種方法對程序存儲器不再做內(nèi)外之分， 因為FPGA內(nèi)部存儲容量已經(jīng)能夠滿足要求， 同時將程序存儲器的容量擴大了一倍 （變?yōu)?KB）， 以滿足大程序的容量需求; 為了讓8051更為強大且更具有通用性， 可將數(shù)據(jù)存儲器RAM的容量擴大一倍， 變?yōu)?56字節(jié)?？梢钥闯?， 在設(shè)計過程中將8051的功能也進行了加強， 但是并不影響對它的控制， 僅僅是在硬件上對存儲器的容量進行了擴大， 而這種擴大只是改變了地址線的寬度， 完全不影響111條指令的正確執(zhí)行。對用戶來說這只是可以使用的內(nèi)部RAM增加了， 控制并沒有任何改變。當(dāng)然， 在資源比較緊張， 而且程序容量比較小時， 也可以將存儲器的容量改小， 這種改變也相當(dāng)方便， 只需要改變地址線的寬度就能達到目的。由此可見， 設(shè)計時完全可以根據(jù)需要改變IP核的設(shè)計， 而不局限于8051。

雖然整個8051IP核能正確執(zhí)行所有指令， 并能實現(xiàn)串口、計時器及中斷控制， 且整個IP的核工作時鐘也在20 MHz以上， 但是， 由于這時候的所有指令周期并不與真實的8051完全一致， IP核中有的指令需要比真正的8051多執(zhí)行幾個周期才能完成， 這就使得分析IP核的工作時鐘復(fù)雜起來了， 因為相對于真正的8051不能有一個精確的工作時鐘對比。但是經(jīng)過分析仍然可以認(rèn)為， IP核應(yīng)該可以工作在15 MHz左右， 也就是比真實的8051快了15倍左右。這對于芯片整體來說， 其速度可能相對較低， 但是由于這部分與芯片其它部分的邏輯相關(guān)性極小， 所以并不會影響芯片的整體性能， 而對于一些簡單控制來說， 這個速度還是能夠滿足要求的。

2 UIP協(xié)議棧

2.1 UIP簡介

在FPGA中實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的主要目的是為了滿足設(shè)計人員對芯片的遠程調(diào)試。而滿足這種要求實際上并不需要很強大和快速的傳輸功能。功能過于強大將會占用過多的資源， 而且實際上， 很多功能并沒有實際作用; 同時也不需要很快的傳輸速度。畢竟對于一個芯片的設(shè)計來說，無論是設(shè)計文檔或是設(shè)計程序， 容量都是非常有限的。綜合考慮， 則應(yīng)選擇一個實現(xiàn)簡單、占用資源少， 但能夠比較穩(wěn)定地進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議， 為此， 本文選擇了相對簡單的UIP協(xié)議棧，而放棄了功能比較強大的LWIP協(xié)議棧。選擇UIP還有一個好處， 就是這個協(xié)議棧是專門針對單片機等微控制器設(shè)計的TCP/IP協(xié)議棧， 它能夠利用嵌入的IP核8051來實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議， 而不再需要額外的邏輯單元。

UIP的特點是代碼量和數(shù)據(jù)量都比較小， 因而可以為存儲器比較緊張的地方提供合適的實現(xiàn)方案， 包括TCP/IP所需的最小實現(xiàn)方案和只包含TCP、IP、ICMP （ping） 以及簡單的UDP協(xié)議， 其具體的實現(xiàn)方法如圖2所示， 圖2中， 帶“×”的表示已經(jīng)實現(xiàn)。

2.2 UIP協(xié)議棧的實現(xiàn)方法

通過UIP可實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議集的四個基本協(xié)議， 包括ARP地址解析協(xié)議、IP網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議，ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報文協(xié)議和TCP傳輸控制協(xié)議。為了在8位、16位處理器上應(yīng)用， UIP協(xié)議棧在實現(xiàn)各層協(xié)議時采用有針對性的方法來保證代碼大小和存儲器使用量最小。

實現(xiàn)ARP地址解析協(xié)議時， 為節(jié)省存儲器，ARP應(yīng)答包可直接覆蓋ARP請求包; 而在實現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時， 則對原協(xié)議進行了極大的簡化， 并沒有實現(xiàn)分片和重組; 當(dāng)實現(xiàn)ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報文協(xié)議時， 只需實現(xiàn)echo （回響） 服務(wù)。UIP在生成回響報文時， 并不重新分配存儲器空間， 而是直接修改echo請求報文來生成回響報文。設(shè)計時可將ICMP類型字段從“echo”改變成 “echo re-ply”類型， 并重新計算校驗和修改校驗和字段。UIP里的TCP沒有實現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的滑動窗口。每個TCP連接的狀態(tài)均由uip_conn結(jié)構(gòu)保存。uip_conn結(jié)構(gòu)包括當(dāng)?shù)睾瓦h端的TCP端口編號、遠程主機的IP地址、重發(fā)時間值、上一段重發(fā)的編號以及連 接段的最大尺寸等信息。uip_conn結(jié)構(gòu)數(shù)組可用于保存所有的連接， 數(shù)組的大小等于可支持同時連接的最大數(shù)量。為了減少儲存器的使用量， 在處理重發(fā)時， UIP并不緩存發(fā)送的數(shù)據(jù)包， 而是由應(yīng)用程序在需要重發(fā)時重新生成發(fā)送的數(shù)據(jù)。

2.3 UIP協(xié)議棧的接口

為了UIP協(xié)議棧能具有最大的通用性， 在實現(xiàn)時可將底層硬件驅(qū)動和頂層應(yīng)用層之外的所有協(xié)議集“打包”在一個“庫”里。協(xié)議棧通過接口與底層硬件和頂層應(yīng)用進行通信。通過這種方式可使uIP具有極高的通用性和獨立性， 以便移植到不同的系統(tǒng)和方便地實現(xiàn)不同的應(yīng)用， 很好的體現(xiàn)TCP/IP協(xié)議平臺無關(guān)性的特點。UIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和應(yīng)用程序之間的接口如圖3所示。圖中， 各接口之間都是由一系列函數(shù)來實現(xiàn)的。

3 UIP協(xié)議棧在IP核8051上的實現(xiàn)

3.1 UIP協(xié)議棧在IP核8051上的移植

由于UIP協(xié)議棧是專門針對微處理器編寫的，所以移植也是非常的方便， 但需注意以下幾點：

（1） 協(xié)議棧是用C語言編寫的， 故在移植時需要再加上兩個頭文件， 一個是8051的頭文件， 另一個是8051的硬件初始化頭文件;

（2） 通過keil c編譯器編譯時， 在選器件時需要注意， 只有選取數(shù)據(jù)寄存器為256個字節(jié)才能順利通過編譯， 這也是為什么前面8051IP核的數(shù)據(jù)存儲器RAM需要擴展至256個字節(jié)的原因。不對RAM進行擴展， 就會出現(xiàn)“不能寫B(tài)9地址”的錯誤， 因為在沒有對RAM擴展前， 根本不存在B9地址;

（3） 將軟件keil編譯生成的hex文件送入到8051的程序存儲器， 即可在IP核8051上實現(xiàn)簡單的TCP/IP協(xié)議。這在軟件測試時， 與實際工作將有所不同。軟件測試時需要將hex文件作為程序存儲器的初始化輸入， 即在EDA軟件編譯8051時， 將程序存儲器的初始化文件mif的路徑設(shè)置為hex所在的路徑， 在完成綜合布線后， hex文件的內(nèi)容就進入了程序存儲器。這樣， 仿真時就能在8051IP上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議了。

3.2 UIP的工作流程

TCP/IP協(xié)議在嵌入到FPGA的IP核8051上的工作流程， 實際上也是簡化后的TCP/IP協(xié)議的工作流程， 這跟正式的TCP/IP協(xié)議有所不同。下面的工作流程以輸入一個同步幀 （即： 三向握手的第一次握手） 為例。對于8051實現(xiàn)的UIP來說， 它屬于被動建立連接， 其正確的輸出結(jié)果應(yīng)該是三向握手的第二次握手， 送出一個確認(rèn)同步幀是所期望的結(jié)果。

下面簡單介紹UIP的整個工作流程：

（1） 在P0端口有數(shù)據(jù)前， 讀取數(shù)據(jù)函數(shù)并反復(fù)執(zhí)行， 以對P0端口進行監(jiān)視 （此種情況只是在測試時， 實際工作中物理層通過控制信號通知讀數(shù)函數(shù)P0口是否有數(shù)據(jù)）;

（2） 為信號的第8級分解小波模極大值圖;

（3） 為信號各級 （共9級） 的高頻分量即小波系數(shù)。

由圖4可以看出， 該故障信號分析儀能有效采集實時故障信號， 并可在對信號經(jīng)過小波分析后有效的提取故障特征， 而且故障點定位明顯。

5 結(jié)束語

該便攜式接觸網(wǎng)故障信號分析儀采用圖形化程序設(shè)計語言LabVIEW開發(fā)設(shè)計， 可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速實時采集、在線分析、自動存儲、顯示等功能。高速數(shù)字化儀NI PXI- 5112卡采樣速度高、性能穩(wěn)定可靠， 適宜對高速變化信號的實時監(jiān)測。將軟件安裝在PXI- 1042工控機上， 具有體積小、抗干擾能力強、攜帶方便等特點， 同時具有故障性質(zhì)判斷、故障定位功能。該系統(tǒng)目前已經(jīng)在石家莊變電所現(xiàn)場運行， 效果良好。