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SOPC技術(shù)在嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)中的應用
作者：
時(shí)間：2010-04-15
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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控制器的操作系統考慮到性?xún)r(jià)比以及現場(chǎng)控制需要，采用了uClinux。uClinux是一個(gè)完全符合GNU/GPL公約的操作系統，完全開(kāi)放代碼，其是專(zhuān)門(mén)為控制領(lǐng)域而裁減設計的嵌入式操作系統。
uClinux 從Linux 2.0/2.4內核派生而來(lái)，沿襲了主流Linux的絕大部分特性[5]。它是專(zhuān)門(mén)針對沒(méi)有MMU的CPU，并且為嵌入式系統做了許多小型化的工作。適用于沒(méi)有虛擬內存或內存管理單元（MMU）的處理器。它通常用于具有很少內存或Flash的嵌入式系統。
在GNU通用公共許可證（GNU GPL）的保證下，運行uClinux操作系統的用戶(hù)可以使用幾乎所有的Linux API函數，不會(huì )因為沒(méi)有MMU而受到影響。由于uClinux在標準的Linux基礎上進(jìn)行了適當的裁剪和優(yōu)化，形成了一個(gè)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的大多數的優(yōu)點(diǎn):穩定、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的支持、以及標準豐富的API等。在開(kāi)發(fā)應用程序之前，先將uClinux移植到NIOS處理器中來(lái)。
特別的為了應用到工業(yè)實(shí)時(shí)領(lǐng)域，本文進(jìn)一步增強uClinux的實(shí)時(shí)性。
整個(gè)嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點(diǎn):
控制器具有很高的靈活性。這是本文設計的以太網(wǎng)控制器的最大特點(diǎn)。由于微處理器采用Altera公司的NIOS，使得系統資源能夠靈活調配，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(diǎn)，適應工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)數據的要求。
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(shí)現控制器的微型化、Internet化;
控制器具有很高的實(shí)時(shí)性。在設計硬件和軟件時(shí)都充分考慮了系統的實(shí)時(shí)性。硬件設計中采用了高速的A/D（500khz）和多路D/A輸出，使得關(guān)鍵信號能及時(shí)采樣和輸出，保證了“硬實(shí)時(shí)”;操作系統中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實(shí)時(shí)”。
5 實(shí)際應用
針對某企業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)需要，將該型控制器應用到基于以太網(wǎng)的控制系統中。針對現場(chǎng)對網(wǎng)絡(luò )可靠性參數的嚴格要求，在控制層網(wǎng)絡(luò )改進(jìn)傳統以太網(wǎng)拓撲結構。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(shí)時(shí)性問(wèn)題則采用了控制區域（Control Domain）概念，將控制現場(chǎng)分區，減少各個(gè)控制區資源競爭的情況。而控制區域之間的是通過(guò)交換式以太網(wǎng)交換機來(lái)通信。
每個(gè)控制區域（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行機構。如圖2所示。該系統具有如下特點(diǎn):
圖2 設備層網(wǎng)絡(luò )結構
（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，克服了接口數據傳輸速率的瓶頸，利用SOPC技術(shù)，系統硬件、軟件的設計和調試都十分方便。
（2） 可靠性?？刂葡到y的網(wǎng)絡(luò )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(luò )層，通過(guò)劃分控制區域，分散了控制風(fēng)險;而在控制區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(gè)控制區域，降低了控制成本。實(shí)踐證明這種分散結合集中的控制結構是十分有效的。
（3） 實(shí)時(shí)性。通過(guò)劃分控制區域，各個(gè)控制區域通過(guò)交換機連入骨干網(wǎng)，而每個(gè)控制區域內的變送和執行結構的信息都不會(huì )占用骨干網(wǎng)絡(luò )資源。這樣，每個(gè)控制區域的網(wǎng)絡(luò )負載可以降到很低的程度（5％）。提高了網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性要求，這樣在網(wǎng)絡(luò )層下進(jìn)一步提升了系統的實(shí)時(shí)性。
6 結論
本文對嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究，提出用SOPC技術(shù)來(lái)解決控制器硬件設計中存在的接口速率瓶頸問(wèn)題，提高了控制器的實(shí)時(shí)性，應用實(shí)驗結果表明該系統運行穩定可靠。
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