嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的設計和應用
引言
    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技術來解決控制器硬件設計中存在的接口速率瓶頸問題，提高了控制器的實時性，實驗結果表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠隨著工業(yè)以太網(wǎng)的大規(guī)模應用，嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)也越來越多地滲入到了工控領域，以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)得到了廣泛應用。但是，由于上述這些系統(tǒng)的開發(fā)平臺并不完全針對工業(yè)以太網(wǎng)的應用情況，因此在實際應用中經(jīng)常出現(xiàn)硬件資源浪費或者資源不夠的問題，開發(fā)系統(tǒng)往往需要外接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。基于SOPC技術的NIOS處理器能解決這個難題。
      硬件設計
    控制器的硬件設計在SOPC Builder和QuartusII中完成。利用它們可以靈活定制NIOS CPU的各個特性甚至指令，可以使用Altera提供的大量IP來加快開發(fā)NIOS外設的速度，提高外設的性能，還可以使用第三方IP，或VHDL、Verilog來定制外設。
        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FPGA是CYCLONE EP1C6。
          在SOPC Builder中需要設計的是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，一個存放啟動和調試程序的內部存儲器Boot ROM，一個UART串行通信電路模塊（RS232核），一個內部定時器和一些通用I/O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RS232通信口、RJ45、幾個發(fā)光管和數(shù)碼管以及16M的SRAM和4M的Flash ROM。
       軟件設計
    由于在硬件開發(fā)中的NIOS CPU及其外設構成的系統(tǒng)是自定制的，存儲器、外設地址的映射等都各不相同，因此需要專有的SDK（軟件開發(fā)包）。在完成NIOS的硬件開發(fā)后，SOPC Builder能夠自動生成SDK。
          軟件部分的開發(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：這里的嵌入式系統(tǒng)是自己定制的、裁剪過的，受到硬件的局限小一些。
    考慮到性價比以及現(xiàn)場控制需要，控制器的操作系統(tǒng)采用了整個嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點：
    1） 很高的靈活性。由于微處理器采用NIOS，使得系統(tǒng)資源能夠靈活調配，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，適應工業(yè)以太網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的要求。
很高的集成度。由于NIOS具有豐富的接口資源，而m    2） Clinux裁減后體積非常小，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、網(wǎng)絡化；
    3） 很高的實時性。本控制器在硬件和軟件設計時都充分考慮了系統(tǒng)的實時性。硬件設計中采用了高速A/D（500kHz）和多路D/A輸出，使得關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”。
      實際應用
    針對某企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場需要，該控制器被應用到基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)中。針對現(xiàn)場對網(wǎng)絡可靠性參數(shù)的嚴格要求，采用環(huán)形網(wǎng)絡拓撲可以增加網(wǎng)絡的可靠性。 
           解決網(wǎng)絡的實時性問題時采用了控制區(qū)域（Control Domain）的概念，將控制現(xiàn)場分區(qū)，減少各個控制區(qū)資源競爭的情況。控制區(qū)域之間通過交換式以太網(wǎng)交換機來通信。每個控制區(qū)域包含以太網(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，如圖2所示。該系統(tǒng)具有如下特點：
    1） 靈活性。SOPC技術使系統(tǒng)硬件、軟件的設計和調試都十分方便。
    2） 可靠性。控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲采用環(huán)形架構，大大增強了骨干網(wǎng)的可靠性。在控制網(wǎng)絡層，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合集中的控制結構是十分有效的。
    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)域內的變送和執(zhí)行結構的信息都不會占用骨干網(wǎng)網(wǎng)絡資源。這樣，每個控制區(qū)域的網(wǎng)絡負載可以降到很低的程度（<5%），提高了網(wǎng)絡的實時性。嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件和軟件設計均考慮了實時性要求，在網(wǎng)絡層下進一步提升了系統(tǒng)的實時性。
      結語
     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技術來解決控制器硬件設計中存在的接口速率瓶頸問題，提高了控制器的實時性，實驗結果表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。