采用FPGA的片上系統和嵌入式系統的遠程監控系統介紹

如圖2所示，α或γ探測器獲得的信號經(jīng)由兩級放大器串接組成的線(xiàn)性脈沖放大器放大后送至以L(fǎng)M393為核心的甄別電路進(jìn)行比較，濾掉噪聲，輸出矩形的脈沖信號。對于這個(gè)信號的處理，以MCU(微控制器)為核心的傳統核探測儀只能通過(guò)MCU上已有的硬件資源(如定時(shí)器)結合軟件來(lái)實(shí)現。

這種方法受制于硬件資源和MCU的速度，難以對多通道信號源進(jìn)行并行處理。本系統中，總量計數IP核即是針對此問(wèn)題而專(zhuān)門(mén)設計的硬件，使用VHDL語(yǔ)言設計實(shí)現，其內部接口符合Avalon片內總線(xiàn)從設備接口規范，可以方便地掛接在A(yíng)valon總線(xiàn)上，作為NiosII軟核cPu的一個(gè)專(zhuān)用外設。

總量計數IP核是網(wǎng)絡(luò )平臺FPGA中子板接口的一部分，其結構如圖3所示。α輻射總量測量與γ輻射總量測量原理類(lèi)似，下面以α測量為例介紹其工作原理。時(shí)鐘源模塊通過(guò)對主時(shí)鐘分頻產(chǎn)生一個(gè)O．1秒的脈沖信號，作為定時(shí)器計時(shí)的基準源。定時(shí)器則按照命令寄存器傳過(guò)來(lái)的采集時(shí)間產(chǎn)生所需的定時(shí)信息。

根據定時(shí)器的定時(shí)信息和命令寄存器的命令，控制計數器對α測量模塊傳過(guò)來(lái)的脈沖信號進(jìn)行計數，從而獲得輻射總量的計數值，該計數值被存進(jìn)FIFO中；而在另一側，NiosIICPU通過(guò)Avalon總線(xiàn)向IP核的命令寄存器寫(xiě)入相應的命令字實(shí)現對各通道的控制，例如啟動(dòng)總量計數、關(guān)閉總量計數、設置采集時(shí)間及清空FIFO等。

值得注意的是，來(lái)自甄別電路的α或γ計數脈沖是與本IP核工作時(shí)鐘異步的信號，而計數器的值最終是需要存人。FIF0的，因此對α或γ計數脈沖都以主時(shí)鐘進(jìn)行二次鎖存并整形，使每個(gè)異步計數脈沖產(chǎn)生一個(gè)只持續一個(gè)主時(shí)鐘周期的同步脈沖。以該脈沖進(jìn)行計數，不僅解決了異步信號同步的問(wèn)題，而且有效地濾除了干擾脈沖，使計敦值準確。

　　3 系統的軟件結構

為了實(shí)現利用Intemet進(jìn)行遠程數據傳輸，本系統在NiosII上移植了MicroC／OS2實(shí)時(shí)操作系統和LWIP(輕量級IP協(xié)議棧)進(jìn)而在其上開(kāi)發(fā)信息采集軟件。

　　3．1 MicroC／OS2及LWIP的移植

此部分工作主要是針對本系統的特定硬件進(jìn)行移植并編寫(xiě)如溫濕度傳感器SHT75、總量計數IP核等所需的各種驅動(dòng)，因此深入了解軟件的各層結構和細節是移植成功的關(guān)鍵。

HAL即硬件抽象層，是NiosII開(kāi)發(fā)套件的一部分，由ALTERA公司提供，它封裝了系統中硬件操作的相關(guān)細節，驅動(dòng)程序也作為它的一部分。HAL共抽象了六種器件模型，包括字符模式器件、定時(shí)器件、文件子系統、以太網(wǎng)器件、DMA器件和Flash器件，并為每一類(lèi)器件提供一系列的統一的初始化函數和訪(fǎng)問(wèn)函數接口，通過(guò)這種方式，HAL向上一層提供了一個(gè)類(lèi)POSIX的API接口，即硬件抽象層應用編程界面。

針對NiosII的軟件開(kāi)發(fā)，其實(shí)是建立在HAL之上，而非直接面向NiosII硬件本身。本系統測量模塊所對應的各個(gè)接口IP核均屬于字符模式器件，因此驅動(dòng)程序需按HAL中字符模式器件模型來(lái)進(jìn)行編寫(xiě)。

MicroC／OS2是一個(gè)適合于小型、微控制器的可剝奪實(shí)時(shí)操作系統。它支持56個(gè)用戶(hù)任務(wù)，其內核為占先式，支持信號量、郵箱、消息隊列等多種常用的進(jìn)程間通信機制，通過(guò)它為應用程序提供所需的多任務(wù)環(huán)境。由于MicroC／OS2自身并沒(méi)帶有協(xié)議棧，因此需要移植一個(gè)TCP／IP協(xié)議棧LWIP，從而向上層提供了一個(gè)類(lèi)似UNIX套接字的接口。LWIP支持以下一些網(wǎng)絡(luò )協(xié)議：IP、ARP、ICMF、UDP、TCP。該協(xié)議棧需要20KB的代碼存儲空間及4KB的數據存儲空問(wèn)，同時(shí)在構建系統時(shí)還需要添加一個(gè)專(zhuān)供其使用的定時(shí)器。

圖4為分析得到的系統軟件的啟動(dòng)流程。在該流程圖中，alt_sys_init()用于初始化系統中的設備，在這個(gè)過(guò)程中會(huì )調用設備驅動(dòng)程序提供的初始化程序。Lwip_stack_init()用于初始化TCP／IP協(xié)議棧。而tcpip_init_done()是一個(gè)在協(xié)議棧初始化后被調用的函數，通信服務(wù)器的任務(wù)也在其中創(chuàng )建。有一點(diǎn)需要注意的是。所有基于LWIP的任務(wù)，都應該使用sys_thread_new()函數來(lái)創(chuàng )建，而不是直接使用OSTaskCreate()。最后，所有的初始化都準備好后，即調用OSStart()來(lái)啟動(dòng)RTOS進(jìn)行任務(wù)調度。

3．2 信息采集程序的設計

本模塊作為一個(gè)任務(wù)，運行于MicroC／OS2實(shí)時(shí)操作系統之上，完成對各個(gè)探測子系統基于策略或遠程指令的測量控制，獲取的信息被保存到指定的內存緩沖區，并根據要求將結果返回到遠程主機上。對于溫濕度測量，由于SHT75傳感器的濕度輸出呈一定的非線(xiàn)性，為了獲取準確數據，需要根據給定的公式對所獲得的數據進(jìn)行修正，而溫度輸出則不需進(jìn)行補償，將數字輸出轉換為實(shí)際溫度值即可，詳見(jiàn)SHT75數據手冊。對于總量計數的處理，本模塊只是簡(jiǎn)單地將數據打包后交給通信服務(wù)器傳回遠程主機。

　　3．3 通信服務(wù)器

本任務(wù)通過(guò)sys_thread_new()函數創(chuàng )建，作為一個(gè)服務(wù)器監聽(tīng)約定的端口，等待遠程主機的連接，提取遠程主機的命令，通過(guò)消息隊列將所獲得的命令發(fā)送到信息采集任務(wù)；同時(shí)也根據要求將信息采集任務(wù)獲得的各種數據分類(lèi)發(fā)回遠程主機。

LWP提供了標準的Berkeley套接字編程界面，這個(gè)界面提供了三種類(lèi)型的套接字，在這里使用了流式套接字，這是一個(gè)面向連接的可靠的數據傳輸服務(wù)，也就是說(shuō)使用的是TCP協(xié)議。通常，服務(wù)器接收到并發(fā)服務(wù)請求，要激活一新進(jìn)程來(lái)處理這個(gè)客戶(hù)請求，但出于系統資源和簡(jiǎn)化設計的考慮，在這里服務(wù)器同一時(shí)刻只能接受一個(gè)連接請求，而這種簡(jiǎn)化事實(shí)上也是可以滿(mǎn)足設計需要的。

本系統應用基于FPGA的片上系統技術(shù)和嵌入式系統技術(shù)實(shí)現了智能核儀器與互聯(lián)網(wǎng)的連接，同時(shí)也實(shí)現了硬件上的部分可重構，根據需要增加或刪除FPGA中的外設IP核即可實(shí)現系統在功能和性能上的改變。目前本系統已經(jīng)在放射性樣品儲藏室中應用，其功能和性能均滿(mǎn)足實(shí)際環(huán)境的要求。由于本系統的網(wǎng)絡(luò )平臺被設計成一個(gè)相對獨立的子系統，因此只需開(kāi)發(fā)特定的探測子系統即可應用于各種相應的需要遠程監控的領(lǐng)域。