隨著以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用,，嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)也越來越多的滲入到了工業(yè)控制領(lǐng)域,。以Motorola ColdFire微處理器和ARM處理器為硬件平臺的嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)有大量文獻報道。 

　　以上這些系統(tǒng)的開發(fā)平臺并不完全針對工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用情況,，因為芯片設(shè)計公司并不完全熟悉工業(yè)以太網(wǎng)的需要,。因此在實際應(yīng)用當中經(jīng)常出現(xiàn)硬件資源浪費或者資源不夠的問題，并且開發(fā)系統(tǒng)往往需外接PLD芯片來進行外圍器件的邏輯控制,，存在接口速率的瓶頸問題,。SOPC技術(shù)能解決這個難題。 

2 SOPC技術(shù) 

　　可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng):首先它是片上系統(tǒng)（SOC）,，即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能;其次,，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式,，可裁減,、可擴充、可升級,，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能,。 

2.1 SOPC 

　　SOPC 結(jié)合了SOC和FPGA各自的優(yōu)點，實際上涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的全部內(nèi)容,，除了以處理器和實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計技術(shù),、以 PCB和信號完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計技術(shù)以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)。由于SOPC的主要邏輯設(shè)計是在可編程邏輯器件內(nèi)部進行,，而BGA封裝已被廣泛應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中,，傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如:邏輯分析儀和數(shù)字示波器,，已很難進行直接測試分析,，因此，必將對以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)提出更高的要求,。同時,，新的調(diào)試技術(shù)也已不斷涌現(xiàn)出來，如Altera公司的嵌入式邏輯分析儀SignalTappII就是一種片內(nèi)實時調(diào)試工具;而在應(yīng)對復(fù)雜設(shè)計方面,，諸如Altera公司的DSP Builader就是一個利用可編程硬件邏輯實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法的強大輔助工具,。 

2.2 NIOS 

　　NIOS 是Altera公司以RISC為基礎(chǔ)的可配置、可裁減軟核處理器[2],。它具有16位指令集和16/32位數(shù)據(jù)通路,，通過將包括16或32位高性能處理器在內(nèi)的多種應(yīng)用模塊嵌入到通用FPGA/CPLD內(nèi)，實現(xiàn)完全可配置的嵌入式系統(tǒng),。Nios軟核處理器主要特性包括:高效靈活的處理器模塊,，可以通過軟件配置成16位或32位的中央處理單元，并可選擇不同的內(nèi)部存儲器大小,，其最高執(zhí)行速度可達50MHz;具有多種其它功能模塊的選擇（SDRAM控制器,、 UART控制器、PCI接口模塊,、LCD接口模塊,、MAC接口模塊等多種功能模塊）;具有完整、廉價,、便捷的開發(fā)系統(tǒng),。所有開發(fā)（包括設(shè)計、調(diào)試）均通過軟件進行,，不再需要專門的硬件仿真器和編程器,， 大大減少了開發(fā)設(shè)備的成本。 

　　NIOS將CPU與PLD的功能集于一身,，既簡化了電路板設(shè)計，又不存在接口速率的瓶頸問題,，使整個系統(tǒng)在一塊芯片上就可以完成,。 

3 硬件設(shè)計 

　　控制器的硬件設(shè)計流程就是為了定制合適的CPU和外設(shè)，在 SOPC Builder和QuartusII中完成,。在這里可以靈活定制NIOS CPU的各個特性甚至指令,，可以使用Altera提供的大量的IP Core來加快開發(fā)者開發(fā)NIOS外設(shè)的速度，提高外設(shè)的性能，也可以使用第三方的IP Core,，或者使用VHDL,、Verilog來自己定制外設(shè)。 

　　嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件分為三個部分:FPGA部分,、存儲器部分和外圍元件部分如圖1所示,。本文選用的是FPGA是CYCLONE EP1C6。FPGA部分是建立在FPGA上的,，核心是NIOS CPU Core,，我們需要在SOPC Builder中需要設(shè)計的就是FPGA部分。要建的NIOS系統(tǒng)包含的元件模塊有:一個NIOS CPU核;用于連接NIOS核的Avalon總線控制器,，一個存放啟動和調(diào)試程序的內(nèi)部存儲器Boot ROM,、一個UART串行通信電路模塊（RS-232核）、一個內(nèi)部定時器和一些通用IO外圍接口模塊,。為使NIOS系統(tǒng)正常工作,，在FPGA外圍必須接有一個RS-232通信口、RJ45,、幾個發(fā)光管和數(shù)碼管以及16M SRAM和4M Flash ROM,。 

圖1 SOPC工業(yè)以太網(wǎng)控制器硬件結(jié)構(gòu) 

4 軟件設(shè)計 

　　完成NIOS的硬件開發(fā)后，SOPC Builder可以幫助開發(fā)者生成相應(yīng)的SDK（軟件開發(fā)包）,。這是由于在硬件開發(fā)中的NIOS CPU及其外設(shè)構(gòu)成的系統(tǒng)是自定制的,，存儲器、外設(shè)地址的映射等都各不相同,，需要的SDK也應(yīng)是專有的,，SOPC Builder能夠自動生成SDK。 

　　在生成的SDK基礎(chǔ)之上,，進入軟件開發(fā)流程,，在這個部分，開發(fā)幾乎與通常的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)沒有區(qū)別,，唯一的不同只在于,，嵌入式系統(tǒng)是自己定制的、裁剪過的,，受到硬件的局限小一些,。 

控制器的操作系統(tǒng)考慮到性價比以及現(xiàn)場控制需要，采用了uClinux,。uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng),，完全開放代碼，其是專門為控制領(lǐng)域而裁減設(shè)計的嵌入式操作系統(tǒng),。 

　　uClinux 從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來,，沿襲了主流Linux的絕大部分特性[5],。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作,。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元（MMU）的處理器,。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。 

　　在GNU通用公共許可證（GNU GPL）的保證下,，運行uClinux操作系統(tǒng)的用戶可以使用幾乎所有的Linux API函數(shù),，不會因為沒有MMU而受到影響。由于uClinux在標準的Linux基礎(chǔ)上進行了適當?shù)牟眉艉蛢?yōu)化,，形成了一個高度優(yōu)化的,、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小,，uClinux仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點:穩(wěn)定,、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能,、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持,、以及標準豐富的API等。在開發(fā)應(yīng)用程序之前,，先將uClinux移植到NIOS處理器中來,。 

　　特別的為了應(yīng)用到工業(yè)實時領(lǐng)域，本文進一步增強uClinux的實時性,。 

　　整個嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點: 

　　控制器具有很高的靈活性,。這是本文設(shè)計的以太網(wǎng)控制器的最大特點。由于微處理器采用Altera公司的NIOS,，使得系統(tǒng)資源能夠靈活調(diào)配,，并且克服了采用其它處理器中存在的接口速率瓶頸的缺點，適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的要求,。 

　　控制器具有很高的集成度,。由于NIOS具有豐富的接口資源，而uClinux裁減后體積非常小,，而且具備以太網(wǎng)功能,，這樣可以很容易實現(xiàn)控制器的微型化、Internet化; 

　　控制器具有很高的實時性,。在設(shè)計硬件和軟件時都充分考慮了系統(tǒng)的實時性,。硬件設(shè)計中采用了高速的A/D（500khz）和多路D/A輸出，使得關(guān)鍵信號能及時采樣和輸出,，保證了“硬實時”;操作系統(tǒng)中加入了RTlinux模塊,，保證了“軟實時”。 

5 實際應(yīng)用 

　　針對某企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場需要,，將該型控制器應(yīng)用到基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)中,。針對現(xiàn)場對網(wǎng)絡(luò)可靠性參數(shù)的嚴格要求，在控制層網(wǎng)絡(luò)改進傳統(tǒng)以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu),。采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲,，可以增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。 

　　而解決網(wǎng)絡(luò)的實時性問題則采用了控制區(qū)域（Control Domain）概念,，將控制現(xiàn)場分區(qū),，減少各個控制區(qū)資源競爭的情況。而控制區(qū)域之間的是通過交換式以太網(wǎng)交換機來通信,。 

　　每個控制區(qū)域（Control Domain）包含以太網(wǎng)交換機和嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器,，以及一些變送器和執(zhí)行機構(gòu)。如圖2所示,。該系統(tǒng)具有如下特點: 

圖2 設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 

 

（1） 靈活性,。由于控制器采用了NIOS微處理器，能夠靈活配置處理器的硬件資源,，克服了接口數(shù)據(jù)傳輸速率的瓶頸,，利用SOPC技術(shù)，系統(tǒng)硬件,、軟件的設(shè)計和調(diào)試都十分方便,。 

（2） 可靠性?？刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲采用環(huán)形架構(gòu),，大大增強了骨干網(wǎng)的可靠性。在控制網(wǎng)絡(luò)層,，通過劃分控制區(qū)域,，分散了控制風險;而在控制區(qū)域內(nèi)部采用嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器，集中控制整個控制區(qū)域,，降低了控制成本,。實踐證明這種分散結(jié)合集中的控制結(jié)構(gòu)是十分有效的。 

（3） 實時性,。通過劃分控制區(qū)域,，各個控制區(qū)域通過交換機連入骨干網(wǎng)，而每個控制區(qū)域內(nèi)的變送和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的信息都不會占用骨干網(wǎng)絡(luò)資源,。這樣,，每個控制區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)負載可以降到很低的程度（<5％）。提高了網(wǎng)絡(luò)的實時性,。嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件和軟件設(shè)計均考慮了實時性要求,，這樣在網(wǎng)絡(luò)層下進一步提升了系統(tǒng)的實時性。 

 

　　本文對嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器進行了開發(fā)研究,，提出用SOPC技術(shù)來解決控制器硬件設(shè)計中存在的接口速率瓶頸問題,，提高了控制器的實時性,，應(yīng)用實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。