基于SOPC技術(shù)的EPA藍牙接入點(diǎn)的設計與實(shí)現

圖3 系統部件及結構框圖

3.2 軟件系統設計

圖4為EPA藍牙接入點(diǎn)上的軟件結構框圖,該結構框圖中的協(xié)議棧部分參照《用于工業(yè)測量與控制系統的EPA系統結構與通信規范》進(jìn)行設計，并在接入點(diǎn)中實(shí)現。由于在嵌入式系統中資源有限很難開(kāi)發(fā)完整的EPA協(xié)議棧，所以本接入點(diǎn)中對EPA通信協(xié)議棧做了裁剪。如圖4所示，基于SOPC的系統設計主要分為3層，最底層構成整個(gè)系統的硬件平臺，提供軟件的運行平臺及通訊接口。第2層是操作系統UC/OS II，該操作系統是一個(gè)基于搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內核，可固化、可裁減，具有高穩定性和可靠性[3]。這一層提供任務(wù)調度以及接口驅動(dòng)，同時(shí)通過(guò)硬件中斷實(shí)現系統對外界的通信請求實(shí)時(shí)響應最上層算法的實(shí)現。第3層為應用程序層，該層負責加載EPA協(xié)議棧。

圖4 EPA藍牙接入點(diǎn)軟件結構框圖

3.2.1 NIOS II驅動(dòng)開(kāi)發(fā)

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)所需的各種驅動(dòng)。HAL即硬件抽象層，是NIOS II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，并為每個(gè)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，即硬件抽象層應用界面。針對NIOS II的軟件開(kāi)發(fā)，其實(shí)是建立在HAL之上，而非直接面向NIOS II硬件本身。

3.2.2 藍牙協(xié)議和EPA協(xié)議的轉換

EPA協(xié)議棧加載在UC/OS II操作系統之上，其物理層和數據鏈路層通過(guò)LAN91C111網(wǎng)絡(luò )控制芯片完成，而網(wǎng)絡(luò )層和數據傳輸層由LWIP協(xié)議棧完成(LWIP協(xié)議棧實(shí)現了IP、ARP、UDP、ICMP等協(xié)議)，然后在LWIP協(xié)議棧之上加載了EPA應用層，在EPA應用層上實(shí)現了EPA套接字映射實(shí)體、EPA系統管理實(shí)體、EPA應用訪(fǎng)問(wèn)實(shí)體、EPA管理信息庫。

當EPA接入點(diǎn)啟動(dòng)后，首先需要初始化相關(guān)硬件設備驅動(dòng)，包括UART串口驅動(dòng)，設置與藍牙模塊的通信的波特率值38400bps，初始化串口接收和發(fā)送緩沖區，向藍牙模塊寫(xiě)入初始化的HCI指令[4];其次是網(wǎng)絡(luò )接口驅動(dòng)，寫(xiě)入LAN91C111的相關(guān)寄存器值，初始化網(wǎng)口接收和發(fā)送緩沖區，并且通過(guò)lwip協(xié)議棧中提供的sys_thread_new()函數創(chuàng )建以太網(wǎng)接收和發(fā)送報文進(jìn)程。當藍牙模塊接收到無(wú)線(xiàn)數據時(shí)，由藍牙模塊解析出該報文，并把該報文存放在串口接收緩沖區中，然后調用EPA應用層的處理函數，判斷該報文是屬于設備聲明報文還是數據分發(fā)報文，并且將該報文封裝成EPA報文從以太網(wǎng)接口發(fā)送出去。

4、測試系統

EPA藍牙接入點(diǎn)能夠同時(shí)接入7個(gè)現場(chǎng)藍牙設備所采集到的數據[5]，而在我們的測試系統中只接入了一個(gè)藍牙現場(chǎng)設備即圖5中第一行所顯示的EPA藍牙閥門(mén)定位器，EPA藍牙閥門(mén)定位器每隔0.5秒將采集到的閥門(mén)值通過(guò)藍牙報文傳送給EPA藍牙接入點(diǎn)，然后經(jīng)由藍牙接入點(diǎn)進(jìn)行報文格式轉換后，以EPA報文格式發(fā)送給負責監控的上位機。從圖中可以看到閥門(mén)定位器的當前值，測試表明該接入點(diǎn)運行良好，能夠很好的完成網(wǎng)段互聯(lián)功能。

圖5 上位機通過(guò)EPA藍牙接入點(diǎn)監測EPA閥門(mén)定位器(藍牙)的實(shí)時(shí)數據

5、結論

本文設計的基于NIOS II軟核EPA藍牙接入點(diǎn)目前已經(jīng)完成了初步的調試和測試工作，測試表明該接入點(diǎn)運行穩定，能夠完成正常的無(wú)線(xiàn)通信及以太網(wǎng)通信功能。相比于以往的開(kāi)發(fā)方案采用SOPC技術(shù)縮短了開(kāi)發(fā)周期節約了硬件資源，并且為以后的系統的軟硬件升級提供了很大的空間。