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,。
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)。
圖1基于FPGA的EPA控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖
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?；赟OPC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,。
圖2 芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
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,。
圖3 EP1C12Q240C8芯片配置情況
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,。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,。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(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,。
圖4 EPA協(xié)議棧接收報文處理流程圖
其部分報文處理程序如下：
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。