引言

Internet的快速發(fā)展和成功促進(jìn)了以太網(wǎng)(Ethernet)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的擴(kuò)展，所涉及的領(lǐng)域十分廣泛，如傳統(tǒng)的工業(yè)控制、信息家電、智能家居、安全監(jiān)控、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信接口符合UART通信標(biāo)準(zhǔn)。這種通信方式的數(shù)據(jù)傳輸半徑十分有限，并不能滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枨螅⑶也荒芙尤隝nternet.因此數(shù)據(jù)的交互接入Internet就顯得非常重要了。

1、系統(tǒng)的總體方案及各主要模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以Microsemi(Actel)公司的基于FLASH架構(gòu)的SoC FPGA產(chǎn)品Smart Fusion2器件為核心。系統(tǒng)通過(guò)Fabric架構(gòu)實(shí)現(xiàn)多路UART對(duì)外相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換寫入Fabric的雙端口RAM.SmartFusion2的ARM Cortex-M3子系統(tǒng)經(jīng)過(guò)AHB/APB總線矩陣以AHB/APB方式訪問(wèn)Fabric的RAM，將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Ethernet以網(wǎng)頁(yè)的形式在PC上顯示。反之，以同樣的路徑將主控的指令傳輸?shù)酵獠康慕K端設(shè)備。PC機(jī)端以網(wǎng)頁(yè)形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)頁(yè)存放于SmartFusion2內(nèi)部FLASH，內(nèi)核Cortex-M3基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(FreeRTOS)管理任務(wù)，IP采用靜態(tài)方式，內(nèi)核Cortex-M3與Fabric采用AHB方式通信.系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)可分為三個(gè)主要模塊，分別為PHY物理層模塊，SoC的Cortex-M3內(nèi)核及FPGA系統(tǒng)，UART模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.1 PHY模塊

PHY即物理層(Physical Layer)。物理層協(xié)議可定義電氣信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、連線的狀態(tài)、時(shí)鐘信號(hào)的要求、數(shù)據(jù)編碼的格式和數(shù)據(jù)傳輸所用的連接器等。物理層通過(guò)一個(gè)定義好的接口與數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行通信。比如MAC可以利用標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)無(wú)關(guān)性接口( MII接口)與PHY進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通信。PHY還有個(gè)重要的功能就是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的CSMA/CD部分功能，這是硬件上實(shí)現(xiàn)的。它可以檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)鏈路上是否有數(shù)據(jù)正在傳送，如果有數(shù)據(jù)在傳送中則進(jìn)行等待，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)空閑，就再等待一定的時(shí)間(不同的PHY會(huì)有不同)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。倘若兩塊網(wǎng)卡碰巧是同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，這將造成沖突，這時(shí)PHY內(nèi)部的沖突檢測(cè)結(jié)構(gòu)可以檢測(cè)到?jīng)_突的發(fā)生，然后兩邊各自等待一定的時(shí)間進(jìn)行重發(fā)數(shù)據(jù)。

圖2 PHY電路連接圖

PHY的電路圖連接圖如圖2所示。KSZ8051采用MII與SmartFusion2相連，由于MII兼容RMII接口，因此程序也可配置為RMII模式。Management采用2個(gè)引腳連接，分別為MDC和MDIO，MII的時(shí)鐘由PHYKSZ8051提供，KSZ8051的時(shí)鐘來(lái)自外部25 MHz晶振。媒體連接采用RJ 45，兼容10 Mb/s和100 Mb/s.

1.2 SoC中的Cortex-M3模塊

系統(tǒng)使用Cortex-M3中的MAC模塊，如圖3所示。

通過(guò)AHB控制Ethernet MAC模塊，對(duì)于MAC的配置是使用其內(nèi)部的寄存器，可以配置不同的接口模式，不同的速度。本系統(tǒng)配置為MII接口，100 Mb/s速度。

圖3 Cortex-M3的MAC

MAC(Media Access Control，媒體訪問(wèn)控制子層協(xié)議)，主要負(fù)責(zé)控制和連接物理層。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，MAC協(xié)議可以事先判斷現(xiàn)在是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送則將給數(shù)據(jù)加上一些控制信息，最終將數(shù)據(jù)及附帶的控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送到物理層;在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，MAC協(xié)議首先判斷輸入的信息是否發(fā)生傳輸錯(cuò)誤，如果沒(méi)有錯(cuò)誤，則去掉控制信息發(fā)送至邏輯鏈路層(LLC)層。以太網(wǎng)MAC協(xié)議由IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義。

PHY與MAC的接口方式有多種，如：

MII，RMII，SMII，SSMII，GMII，SGMII，TBI等。目前常見的PHY都提供標(biāo)準(zhǔn)的MII接口，RMII信號(hào)是對(duì)PHY內(nèi)部的MII的信號(hào)進(jìn)行編碼和解碼，這就是說(shuō)支持MII接口的PHY內(nèi)部都含有RMII信號(hào)，也就是支持RMII接口。具體使用何種接口的PHY則必須根據(jù)MAC芯片對(duì)應(yīng)的功能和接口的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定。

采用FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。FreeRTOS使用Cortex-M3內(nèi)核的定時(shí)器以10 ms時(shí)間片進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度和切換。創(chuàng)建WebServer進(jìn)程和網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行通信，網(wǎng)頁(yè)編輯語(yǔ)言HTML是不需要編譯的，因此將需要顯示的數(shù)據(jù)全部發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH中，目前測(cè)試是存儲(chǔ)在片內(nèi)FLASH，網(wǎng)頁(yè)發(fā)來(lái)的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理。網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)需要用LwIP協(xié)議棧進(jìn)行打包，LwIP協(xié)議棧是把所有的協(xié)議封裝到一個(gè)單一的過(guò)程(進(jìn)程)中，從而與操作系統(tǒng)內(nèi)核分開。應(yīng)用程序可能也駐留在LwIP處理過(guò)程中，或者在單獨(dú)的過(guò)程中。TCP/IP棧和應(yīng)用程序之間的通信可以通過(guò)函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)更為抽象的API[4-5].本設(shè)計(jì)的應(yīng)用層使用常用的IPv4協(xié)議，DHCP和靜態(tài)IP都進(jìn)行測(cè)試，傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層使用TCP/IP.

打包之后的需要介質(zhì)層MAC進(jìn)行處理，此MAC為Cortex-M3內(nèi)核自帶的，支持多種MAC接口，本設(shè)計(jì)采用MII接口，所采用的PHY芯片也是MII接口，采用Micrel公司的KSZ8051，支持MII、RMII接口，10 Mb/s和100Mb/s傳輸速度，設(shè)計(jì)時(shí)采用100Mb/s傳輸。

網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)更新，設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)每隔500 ms發(fā)一次更新的命令，Cortex- M3再將更新的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)。而這些數(shù)據(jù)來(lái)自APB3上，Cortex-M3通過(guò)FIC_0和APB3進(jìn)行雙向通信，從而發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。FPGA中Fabric和APB3進(jìn)行雙向通信，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在雙端口SRAM中，多路UART和SRAM進(jìn)行雙向通信。SRAM在系統(tǒng)起緩存的作用，用來(lái)解決兩端讀寫速度的不同。

而對(duì)于UART的數(shù)據(jù)也定義了協(xié)議，這些協(xié)議是區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的格式和內(nèi)容。對(duì)于UART的個(gè)數(shù)可以進(jìn)行增加，系統(tǒng)UART的同步使用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，不受個(gè)數(shù)的限制。

1.3 FPGA的UART模塊

本系統(tǒng)的主要功能是UART數(shù)據(jù)的采集與交互，使用網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行人機(jī)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和控制，并且把采樣點(diǎn)的采樣時(shí)間也傳輸過(guò)去，使用戶知道數(shù)據(jù)的具體時(shí)間，便于以后的查看。

在本設(shè)計(jì)中需要在SmartFusion2片內(nèi)的FPGA部分設(shè)計(jì)多路串口數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的多路串口數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。使用的多路串口數(shù)據(jù)采集方法是在SmartFusion2片內(nèi)的FPGA中設(shè)計(jì)一個(gè)UART控制器去采集多路數(shù)據(jù)[6].控制器并不完成串轉(zhuǎn)并控制，而是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多路串口數(shù)據(jù)狀態(tài)，并將多路串行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)切換送入RAM控制器，串行的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)RAM控制器串行的進(jìn)入RAM中去。如圖4所示。

圖4 串口復(fù)用數(shù)據(jù)采集

當(dāng)多路串口中任何一路，任何時(shí)候到來(lái)數(shù)據(jù)的時(shí)候，UART控制器都能感知這次串行數(shù)據(jù)，并開通相應(yīng)的信道，將某一路的串口數(shù)據(jù)送到RAM控制器。然后RAM控制器將該信道的串行數(shù)據(jù)寫入RAM中。這樣就可以完成對(duì)多路串口數(shù)據(jù)的采集工作。

在該方案中，需要在SmartFusion2片上的FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)UART控制器作為查詢機(jī)制中的主機(jī)，各個(gè)終端串口作為從機(jī)，提供串口數(shù)據(jù)。主機(jī)會(huì)定時(shí)的在SEL總線上發(fā)出從機(jī)的片選信號(hào)，用于選通從機(jī)設(shè)備。當(dāng)從機(jī)被選中之后，從機(jī)自己會(huì)做出判斷，如果該從機(jī)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則該從機(jī)立刻將串行的數(shù)據(jù)發(fā)出。如果從機(jī)沒(méi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則從機(jī)對(duì)該選擇信號(hào)SEL不做任何反應(yīng)，定時(shí)時(shí)間到，主機(jī)會(huì)自動(dòng)的去選通下一路從機(jī)，從機(jī)工作原理與之類似。這樣的做法同樣可以完成對(duì)多路串口數(shù)據(jù)的采集工作。

2、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用FreeRTOS操作系統(tǒng)，通過(guò)創(chuàng)建WebServer進(jìn)程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。在初始化完成后，執(zhí)行WebServer進(jìn)程，WebServer進(jìn)程發(fā)送網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)、更新網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)、得到采集的數(shù)據(jù)。而關(guān)于以太網(wǎng)的協(xié)議則使用LwIP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。對(duì)于硬件層則使用Cortex-M3內(nèi)部的MAC和外部的PHY進(jìn)行傳輸。實(shí)現(xiàn)物理層的傳輸[7].因此本設(shè)計(jì)的思路是發(fā)送接收數(shù)據(jù)給網(wǎng)頁(yè)和接收發(fā)送APB3上對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)據(jù)。將UART的數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)頁(yè)HTTP數(shù)據(jù)格式互換。

軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示，WebServer進(jìn)程和網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行通信，通信的協(xié)議采用LwIP協(xié)議，對(duì)于LwIP協(xié)議使用其中的IPv4應(yīng)用層，使用TCP/IP傳輸，DHCP動(dòng)態(tài)獲取IP，數(shù)據(jù)鏈路層使用內(nèi)部的MAC，采用100 Mb/s的MII接口和PHY通信，PHY在物理層上和PC機(jī)通信[8].

圖5 軟件設(shè)計(jì)框圖

采用自動(dòng)連接的方式與以太網(wǎng)相連，對(duì)于HTTP數(shù)據(jù)采用監(jiān)聽的方式，有HTTP數(shù)據(jù)則執(zhí)行相應(yīng)的操作。在網(wǎng)頁(yè)上顯示實(shí)時(shí)的日期和時(shí)間，這個(gè)日期和時(shí)間不是來(lái)自PC機(jī)的，而是來(lái)自SmartFusion2的，能夠達(dá)到顯示數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間，方便用戶查看和保存帶有時(shí)間的數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)的初始化首先是MAC的初始化，將MAC初始化為MII接口，半字節(jié)，100 Mb/s模式。MAC初始化后就是對(duì)于協(xié)議的選擇，本系統(tǒng)選擇TCP/IP協(xié)議，通過(guò)tcpip_input調(diào)用初始化網(wǎng)絡(luò)的配置。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的配置，首先是MAC地址、IP地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼的配置(如果為DHCP則只有MAC地址有效)，可以配置為靜態(tài)IP和DHCP兩種模式。靜態(tài)IP使用netif_set_up函數(shù)，DHCP使用dhcp_star函數(shù)來(lái)開始。

WebServer是系統(tǒng)的主任務(wù)，負(fù)責(zé)網(wǎng)頁(yè)和APB3上數(shù)據(jù)的交互。首先是使用netconn_bind函數(shù)新建一個(gè)80端口(HTTP)的網(wǎng)絡(luò)，建立好后就一直處于監(jiān)聽狀態(tài)的netconn_listen函數(shù)。

有網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)則發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。如果有網(wǎng)頁(yè)打開數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，則開始發(fā)送網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)頭和主界面的數(shù)據(jù)，同時(shí)將網(wǎng)頁(yè)的運(yùn)行的程序也發(fā)送過(guò)去，這樣內(nèi)核就可以方便和網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行通信。

對(duì)于網(wǎng)頁(yè)的刷新和數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令都是已經(jīng)發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)了，如果有網(wǎng)頁(yè)的刷新請(qǐng)求則將更新的檢測(cè)數(shù)據(jù)和日期時(shí)間數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)。有點(diǎn)擊控制命令，處理器則馬上響應(yīng)，將控制命令轉(zhuǎn)換并發(fā)送給APB3，也就發(fā)送給了UART.當(dāng)然，這里面所有的數(shù)據(jù)都是加了相應(yīng)的通信協(xié)議。

如發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)頁(yè)時(shí)則需要使用netconn_write函數(shù)，首先是網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)頭，然后是相應(yīng)的數(shù)據(jù)。如果無(wú)網(wǎng)絡(luò)連接、無(wú)網(wǎng)頁(yè)請(qǐng)求、請(qǐng)求完成等都是使用netconn_close函數(shù)關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)，使用netbuf_delete函數(shù)刪除網(wǎng)絡(luò)，然后又去監(jiān)聽是否有新的網(wǎng)絡(luò)存在并連接。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

以智能家居數(shù)據(jù)采集與交互為例，系統(tǒng)軟件設(shè)置流程圖如圖6所示，首先是時(shí)鐘和外設(shè)的初始化，再是以太網(wǎng)相關(guān)的初始化，包括MAC和PHY的初始化，IP的獲取方式，設(shè)置MAC地址、IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)，設(shè)置傳輸?shù)膮f(xié)議等。硬件層、傳輸層設(shè)置以后就是應(yīng)用層，創(chuàng)建WebServer應(yīng)用程序。此應(yīng)用程序也是主應(yīng)用程序，在FreeRTOS中的優(yōu)先級(jí)是最高的，堆棧大小也是最大的。WebServer任務(wù)就是與網(wǎng)頁(yè)通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)的刷新。任務(wù)的調(diào)度和切換時(shí)通過(guò)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，10 ms為一個(gè)時(shí)間片，調(diào)度函數(shù)為vTaskStartScheduler函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3、結(jié)語(yǔ)

本文利用源代碼開放的TCP/IP協(xié)議棧LwIP和簡(jiǎn)單實(shí)用的操作系統(tǒng)FreeRTOS軟件平臺(tái)和SmartFusion2的硬件平臺(tái)構(gòu)建了基于SoC的數(shù)據(jù)采集與交互系統(tǒng)，完成設(shè)備數(shù)據(jù)信息的采集及處理并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交流與共享。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，具有一定推廣使用價(jià)值。

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