基于SOPC技術(shù)的EPA現(xiàn)場控制器的設(shè)計 - 全文

引言

隨著以太網(wǎng)技術(shù)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(shù)已經(jīng)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(quán)、并被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織接收和采用的工業(yè)自動化標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是一種基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙等信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)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(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。

大量的EPA現(xiàn)場設(shè)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(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的芯片設(shè)計方法正在進行一場革命，其標(biāo)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(shù)應(yīng)運而生的是SOPC 技術(shù)。它結(jié)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(shè)計轉(zhuǎn)移，使SOPC成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的最佳選擇之一。在充分研究EPA網(wǎng)絡(luò)通信和SOPC技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種基于SOPC技術(shù)的EPA控制器。

圖1基于FPGA的EPA控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖

SOPC技術(shù)

SOPC技術(shù)是美國Altera公司于2000年最早提出的，并同時推出了相應(yīng)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(shù)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。

SOPC是一種新的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，也是一種新的軟硬件綜合設(shè)計技術(shù)。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(shè)以及用戶邏輯電路等）和軟件設(shè)計都放在一個可編程的FPGA芯片中，以達到系統(tǒng)的IC設(shè)計。這種設(shè)計方式，具有開發(fā)周期短以及系統(tǒng)可修改等優(yōu)點。設(shè)計完成的SOPC可以通過HARDCOPY轉(zhuǎn)為ASIC芯片，從而可以實現(xiàn)快速量產(chǎn)。

EPA現(xiàn)場控制器設(shè)計

針對控制系統(tǒng)中連接管理網(wǎng)、控制網(wǎng)和現(xiàn)場設(shè)備單元的要求，采用SOPC技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)和自動控制技術(shù)，設(shè)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(shè)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(shù)的CPU核心處理模塊和通信處理模塊分別進行說明。

EPA現(xiàn)場控制器的硬件設(shè)計總體方案

圖1是EPA現(xiàn)場控制器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。整個設(shè)計中，硬件上實現(xiàn)EP1C12Q240C8芯片、LAN91C111芯片的外圍接口電路的設(shè)計；實現(xiàn)了串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計；實現(xiàn)了復(fù)位電路、JTAG、時鐘電路、電源電路的設(shè)計；實現(xiàn)了鍵盤電路、LCD顯示電路、蜂鳴器報警電路的設(shè)計；實現(xiàn)了HY57V641620芯片、AM29LV160芯片外圍電路的設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)換、拓展MMC存儲卡，拓展其存儲容量等）。

在設(shè)計時，考慮到由于該控制器的結(jié)構(gòu)、功能較為復(fù)雜，涉及到的器件種類較多。所以在設(shè)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(fù)位電路。第二部分：通信處理模塊，包含網(wǎng)絡(luò)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。

圖2 芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

基于SOPC技術(shù)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(luò)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(shè)備的監(jiān)控、顯示及數(shù)據(jù)分析。設(shè)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(shè)和存儲器以及與片外存儲器和片外設(shè)備相連的接口等。其芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

整個CPU處理器的硬軟件設(shè)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(gòu)的可配置的軟CPU內(nèi)核，其特性和外設(shè)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(shè)計的要求，分別是快速型、經(jīng)濟型和標(biāo)準(zhǔn)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(luò)對控制器的要求，添加與CPU相連的片內(nèi)外設(shè)和片外設(shè)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(qū)動電路和以太網(wǎng)接口。按照設(shè)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(shè)計。

在配置完CPU處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以后，按照設(shè)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(luò)，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(zhuǎn)換以后得到3.3V和1.5V的電源，為CPU、存儲器及其他受電設(shè)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(fù)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(fù)位和上電低電平復(fù)位。

圖3 EP1C12Q240C8芯片配置情況

通信處理模塊

整個設(shè)計以FPGA芯片EP1C12Q240C8為數(shù)據(jù)處理中心，通過網(wǎng)絡(luò)通信，完成對工業(yè)以太網(wǎng)上的其他設(shè)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(shè)備進行監(jiān)控和顯示，有較好的人機交互的功能。

在該設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)通信分為有線和無線兩種通信方式。其中，有線網(wǎng)絡(luò)通信使用的是10M/100M的LAN91C111的自適應(yīng)網(wǎng)卡芯片，并通過RJ45網(wǎng)口接入EPA網(wǎng)絡(luò)。LAN91C111是SMSC公司為嵌入式應(yīng)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(yù)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?？筛鶕?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(luò)的無線通信，通過該模塊能夠監(jiān)測無線現(xiàn)場設(shè)備的運行情況及相關(guān)參數(shù)。

在整個EPA通信協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層接收報文處理流程中。NIOSⅡ處理器復(fù)位后初始化UC/OS Ⅱ操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、堆棧以及定時器等外圍設(shè)備接口。從外部存儲器FLASH中獲取IP地址和MAC地址等網(wǎng)絡(luò)信息。當(dāng)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(jié)構(gòu)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(dāng)檢查到UDP端口號是0x88BC時，將報文交由EPA應(yīng)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(shè)置遠程主機的IP地址*/

remote_addr.addr = htonl（0x8080023D）;

/*設(shè)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地址和端口號*/

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(wù)

和IP協(xié)議棧相關(guān)，該任務(wù)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

（conn1））！=NULL）{

//關(guān)于netbuf的結(jié)構(gòu)可以參看api.h文件，在該結(jié)構(gòu)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

結(jié)語

在完成整個設(shè)計，控制器接入EPA網(wǎng)絡(luò)中能夠正常運行。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(fù)操作，因而可以充分地進行設(shè)計開發(fā)和驗證。當(dāng)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。