基于SmartFusion2的SoC的數據采集與交互系統應用設計

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)展和應用的擴展，所涉及的領(lǐng)域十分廣泛，如傳統的工業(yè)控制、信息家電、智能家居、安全監控、樓宇自動(dòng)化、醫療、環(huán)境監測等。大多數的數據采集設備的通信接口符合UART 通信標準。這種通信方式的數據傳輸半徑十分有限，并不能滿(mǎn)足遠距離傳輸的需求，并且不能接入Internet.因此數據的交互接入Internet 就顯得非常重要了。

1 系統的總體方案及各主要模塊設計

系統以Microsemi(Actel)公司的基于FLASH 架構的SoC FPGA 產(chǎn)品SmartFusion2器件為核心[1].系統通過(guò)Fabric架構實(shí)現多路UART對外相應數據進(jìn)行采集，進(jìn)行并/串轉換寫(xiě)入Fabric 的雙端口RAM.SmartFu-

sion2的ARM Cortex-M3子系統經(jīng)過(guò)AHB/APB總線(xiàn)矩陣以AHB/APB 方式訪(fǎng)問(wèn)Fabric 的RAM,將得到的數據經(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到外部的終端設備。PC機端以網(wǎng)頁(yè)形式實(shí)現數據交互。網(wǎng)頁(yè)存放于SmartFusion2 內部FLASH,內核Cortex-M3 基于實(shí)時(shí)操作系統(FreeR-

TOS)管理任務(wù)，IP 采用靜態(tài)方式，內核Cortex-M3 與Fabric采用AHB方式通信[2-3].系統設計結構框圖如圖1所示。

系統硬件的設計可分為三個(gè)主要模塊，分別為PHY 物理層模塊，SoC 的Cortex-M3 內核及FPGA 系統，UART模塊的數據采集系統。

1.1 PHY模塊

PHY 即物理層(Physical Layer)。物理層協(xié)議可定義電氣信號標準、連線(xiàn)的狀態(tài)、時(shí)鐘信號的要求、數據編碼的格式和數據傳輸所用的連接器等。物理層通過(guò)一個(gè)定義好的接口與數據鏈路層進(jìn)行通信。比如MAC 可以利用標準的介質(zhì)無(wú)關(guān)性接口( MII接口)與PHY進(jìn)行數據交換通信。PHY還有個(gè)重要的功能就是實(shí)現以太網(wǎng)的CSMA/CD 部分功能，這是硬件上實(shí)現的。它可以檢測到網(wǎng)絡(luò )鏈路上是否有數據正在傳送，如果有數據在傳送中則進(jìn)行等待，當檢測到網(wǎng)絡(luò )空閑，就再等待一定的時(shí)間(不同的PHY會(huì )有不同)后對數據進(jìn)行傳送。倘若兩塊網(wǎng)卡碰巧是同時(shí)發(fā)送數據，這將造成沖突，這時(shí)PHY 內部的沖突檢測結構可以檢測到?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)數據。

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，對于MAC的配置是使用其內部的寄存器，可以配置不同的接口模式，不同的速度。本系統配置為MII接口，100 Mb/s速度。

MAC(Media Access Control,媒體訪(fǎng)問(wèn)控制子層協(xié)議)，主要負責控制和連接物理層。在發(fā)送數據的時(shí)候，MAC 協(xié)議可以事先判斷現在是否可以發(fā)送數據，如果可以發(fā)送則將給數據加上一些控制信息，最終將數據及附帶的控制信息以規定的格式發(fā)送到物理層;在接收數據的時(shí)候，MAC 協(xié)議首先判斷輸入的信息是否發(fā)生傳輸錯誤，如果沒(méi)有錯誤，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)標準定義。

PHY 與MAC 的接口方式有多種，如：

MII,RMII,SMII,SSMII,GMII,SGMII,TBI等。目前常見(jiàn)的PHY都提供標準的MII接口，RMII信號是對PHY內部的MII的信號進(jìn)行編碼和解碼，這就是說(shuō)支持MII接口的PHY 內部都含有RMII 信號，也就是支持RMII接口。具體使用何種接口的PHY則必須根據MAC 芯片對應的功能和接口的標準來(lái)決定。

采用FreeRTOS 實(shí)時(shí)操作系統管理整個(gè)系統的運行。FreeRTOS使用Cortex-M3內核的定時(shí)器以10 ms時(shí)間片進(jìn)行任務(wù)的調度和切換。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據全部發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)。這些數據存儲在FLASH中，目前測試是存儲在片內FLASH,網(wǎng)頁(yè)發(fā)來(lái)的控制數據進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理。網(wǎng)頁(yè)的數據需要用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，從而與操作系統內核分開(kāi)。應用程序可能也駐留在LwIP 處理過(guò)程中，或者在單獨的過(guò)程中。TCP/IP棧和應用程序之間的通信可以通過(guò)函數調用實(shí)現，也可以通過(guò)更為抽象的API[4-5].本設計的應用層使用常用的IPv4 協(xié)議，DHCP和靜態(tài)IP 都進(jìn)行測試，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Cor-

tex-M3 內核自帶的，支持多種MAC 接口，本設計采用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，設計時(shí)采用100 Mb/s傳輸。

網(wǎng)頁(yè)的數據需要實(shí)時(shí)更新，設計網(wǎng)頁(yè)每隔500 ms發(fā)一次更新的命令，Cortex- M3再將更新的數據發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)。而這些數據來(lái)自APB3上，Cortex-M3通過(guò)FIC_0和APB3 進(jìn)行雙向通信，從而發(fā)送和接收數據。FPGA中Fabric 和APB3 進(jìn)行雙向通信，數據存儲在雙端口SRAM 中，多路UART 和SRAM 進(jìn)行雙向通信。SRAM在系統起緩存的作用，用來(lái)解決兩端讀寫(xiě)速度的不同。

而對于UART的數據也定義了協(xié)議，這些協(xié)議是區分數據的格式和內容。對于UART的個(gè)數可以進(jìn)行增加，系統UART的同步使用FPGA硬件實(shí)現，不受個(gè)數的限制。

1.3 FPGA的UART模塊

本系統的主要功能是UART數據的采集與交互，使用網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行人機交換，實(shí)現數據的實(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(hù)知道數據的具體時(shí)間，便于以后的查看。

在本設計中需要在SmartFusion2片內的FPGA部分設計多路串口數據采集與存儲的控制器，實(shí)現對終端的多路串口數據進(jìn)行采集。使用的多路串口數據采集方法是在SmartFusion2片內的FPGA中設計一個(gè)UART控制器去采集多路數據[6].控制器并不完成串轉并控制，而是實(shí)時(shí)監測多路串口數據狀態(tài)，并將多路串行數據實(shí)時(shí)切換送入RAM控制器，串行的數據經(jīng)過(guò)RAM控制器串行的進(jìn)入RAM中去。如圖4所示。

當多路串口中任何一路，任何時(shí)候到來(lái)數據的時(shí)候，UART 控制器都能感知這次串行數據，并開(kāi)通相應的信道，將某一路的串口數據送到RAM 控制器。然后RAM 控制器將該信道的串行數據寫(xiě)入RAM 中。這樣就可以完成對多路串口數據的采集工作。

在該方案中，需要在SmartFusion2 片上的FPGA 內設計一個(gè)UART控制器作為查詢(xún)機制中的主機，各個(gè)終端串口作為從機，提供串口數據。主機會(huì )定時(shí)的在SEL總線(xiàn)上發(fā)出從機的片選信號，用于選通從機設備。當從機被選中之后，從機自己會(huì )做出判斷，如果該從機有數據需要發(fā)送，則該從機立刻將串行的數據發(fā)出。如果從機沒(méi)有數據需要發(fā)送，則從機對該選擇信號SEL不做任何反應，定時(shí)時(shí)間到，主機會(huì )自動(dòng)的去選通下一路從機，從機工作原理與之類(lèi)似。這樣的做法同樣可以完成對多路串口數據的采集工作。

2 系統軟件設計

本設計采用FreeRTOS操作系統，通過(guò)創(chuàng )建Web-

Server進(jìn)程實(shí)現數據的交互。在初始化完成后，執行WebServer進(jìn)程，WebServer進(jìn)程發(fā)送網(wǎng)頁(yè)的數據、更新網(wǎng)頁(yè)的數據、得到采集的數據。而關(guān)于以太網(wǎng)的協(xié)議則使用LwIP協(xié)議棧實(shí)現。對于硬件層則使用Cor-

tex-M3內部的MAC和外部的PHY進(jìn)行傳輸。實(shí)現物理層的傳輸[7].因此本設計的思路是發(fā)送接收數據給網(wǎng)頁(yè)和接收發(fā)送APB3上對應的地址的數據。將UART的數據格式和網(wǎng)頁(yè)HTTP數據格式互換。

軟件設計框圖如圖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，對于LwIP 協(xié)議使用其中的IPv4應用層，使用TCP/IP 傳輸，DHCP 動(dòng)態(tài)獲取IP,數據鏈路層使用內部的MAC,采用100 Mb/s的MII接口和PHY通信，PHY在物理層上和PC機通信[8].

采用自動(dòng)連接的方式與以太網(wǎng)相連，對于HTTP數據采用監聽(tīng)的方式，有HTTP 數據則執行相應的操作。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機的，而是來(lái)自SmartFusion2的，能夠達到顯示數據的采樣時(shí)間，方便用戶(hù)查看和保存帶有時(shí)間的數據。

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，100 Mb/s模式。MAC 初始化后就是對于協(xié)議的選擇，本系統選擇TCP/IP協(xié)議，通過(guò)tcpip_input調用初始化網(wǎng)絡(luò )的配置。對于網(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，DHCP使用dhcp_star函數來(lái)開(kāi)始。

WebServer是系統的主任務(wù)，負責網(wǎng)頁(yè)和APB3上數據的交互。首先是使用netconn_bind 函數新建一個(gè)80端口(HTTP)的網(wǎng)絡(luò )，建立好后就一直處于監聽(tīng)狀態(tài)的netconn_listen函數。

有網(wǎng)絡(luò )連接時(shí)則發(fā)送相應的數據。如果有網(wǎng)頁(yè)打開(kāi)數據的請求，則開(kāi)始發(fā)送網(wǎng)頁(yè)的數據頭和主界面的數據，同時(shí)將網(wǎng)頁(yè)的運行的程序也發(fā)送過(guò)去，這樣內核就可以方便和網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行通信。

對于網(wǎng)頁(yè)的刷新和數據請求命令都是已經(jīng)發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)了，如果有網(wǎng)頁(yè)的刷新請求則將更新的檢測數據和日期時(shí)間數據發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)。有點(diǎn)擊控制命令，處理器則馬上響應，將控制命令轉換并發(fā)送給APB3,也就發(fā)送給了UART.當然，這里面所有的數據都是加了相應的通信協(xié)議。

如發(fā)