摘要：本文介紹了一種基于SOPC技術(shù)的EPA現(xiàn)場控制器的設(shè)計(jì)。該控制器應(yīng)用于EPA工業(yè)現(xiàn)場中，實(shí)現(xiàn)了EPA通信協(xié)議棧，可對EPA系統(tǒng)中其他設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行檢測、控制、實(shí)時顯示和報(bào)警。

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(dú)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(lán)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(jìn)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(jì)方法正在進(jìn)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(diǎn)。隨著SoC技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生的是SOPC 技術(shù)。它結(jié)合了SoC和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，可裁減、可擴(kuò)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(jì)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(jì)技術(shù)，也是一種新的軟硬件綜合設(shè)計(jì)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(jì)都放在一個可編程的FPGA芯片中，以達(dá)到系統(tǒng)的IC設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方式，具有開發(fā)周期短以及系統(tǒng)可修改等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)完成的SOPC可以通過HARDCOPY轉(zhuǎn)為ASIC芯片，從而可以實(shí)現(xiàn)快速量產(chǎn)。

EPA現(xiàn)場控制器設(shè)計(jì)

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(jì)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(shí)現(xiàn)了實(shí)時操作系統(tǒng)及EPA通信協(xié)議棧。該EPA現(xiàn)場控制器可實(shí)現(xiàn)實(shí)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(jìn)行監(jiān)控、顯示和故障報(bào)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(jìn)行說明。

EPA現(xiàn)場控制器的硬件設(shè)計(jì)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(jì)中，硬件上實(shí)現(xiàn)EP1C12Q240C8芯片、LAN91C111芯片的外圍接口電路的設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)了串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)了復(fù)位電路、JTAG、時鐘電路、電源電路的設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)了鍵盤電路、LCD顯示電路、蜂鳴器報(bào)警電路的設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)了HY57V641620芯片、AM29LV160芯片外圍電路的設(shè)計(jì)，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(shí)際需要接入相應(yīng)的板卡(如DI/DO模塊、AI/AO模塊，實(shí)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(jì)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(jì)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。

基于SOPC技術(shù)的CPU核心處理模塊

整個方案的實(shí)現(xiàn)是以接入實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)為目的，在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)部分EPA協(xié)議，同時控制器實(shí)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(jì)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(shí)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(jì)均在Quartus II 5.1版本上實(shí)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(shí)際需要進(jìn)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(jì)的要求，分別是快速型、經(jīng)濟(jì)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(fèi)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(jì)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(shí)際需要靈活地增加功能，同樣對不必要的功能也可進(jìn)行刪減，以滿足快速、高效和低成本的設(shè)計(jì)。

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(jì)需要對CPU的外圍進(jìn)行配置。由于該控制器是接入EPA網(wǎng)絡(luò)，需要實(shí)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(kuò)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(jìn)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)和上位機(jī)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(jìn)行監(jiān)控和顯示，有較好的人機(jī)交互的功能。

在該設(shè)計(jì)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(lán)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(shí)際情況，接入無線通信模塊，實(shí)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(yùn)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(bào)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(bào)文IP地址和MAC地址都是本機(jī)地址時，把報(bào)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(jìn)行處理，當(dāng)檢查到UDP端口號是0x88BC時，將報(bào)文交由EPA應(yīng)用層處理模塊進(jìn)行處理。

其部分報(bào)文處理程序如下：

圖4 EPA協(xié)議棧接收報(bào)文處理流程圖

結(jié)語

在完成整個設(shè)計(jì)，控制器接入EPA網(wǎng)絡(luò)中能夠正常運(yùn)行。由于控制器中的處理器使用的是FPGA芯片，有較強(qiáng)的靈活性，能夠進(jìn)行編程、除錯、再編程和重復(fù)操作，因而可以充分地進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)和驗(yàn)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。

作者：付蔚 童世華 吳虹岑 王平 重慶郵電大學(xué)   來源：《電子產(chǎn)品世界》2008年第2期