基于web服務(wù)器的可重構硬件測控平臺設計方案

項目背景及可行性分析

1. 項目名稱(chēng)：基于web服務(wù)器的可重構硬件測控平臺

2. 應用背景：

在工業(yè)控制和科研過(guò)程中經(jīng)常涉及到對某個(gè)系統進(jìn)行完善的系統性的測試，往往一個(gè)設備包括功能和數據率不一的接口，而整個(gè)設備又是對所有接口整體輸入的響應。所以在系統中調試之前要一段時(shí)間來(lái)完成整體調試環(huán)境的架設。鑒于不同設備的特殊性，建立一個(gè)較為通用的硬件測試仿真平臺可以提高系統測試的效率。XILINX FPGA和SOC技術(shù)對這方面有很好的支持，從硬件IP到操作系統和應用軟件有一套完整的解決方案。它結合了FPGA本身和嵌入式系統的諸多優(yōu)點(diǎn)。

設計并實(shí)現一個(gè)web服務(wù)器，通過(guò)客戶(hù)端網(wǎng)頁(yè)可以更新測試端服務(wù)器的軟硬件測試環(huán)境，測試端服務(wù)器的測試工作流程可以在客戶(hù)端定制，測試端服務(wù)器的測試數據結果可以在線(xiàn)分析，顯示或下載。

4. 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng )新點(diǎn)

所有操控都基于網(wǎng)絡(luò )，便于遠程控制和組網(wǎng)。

軟硬件環(huán)境可以實(shí)現在系統重構

測控流程可定制

服務(wù)器端支持大容量測試數據庫和測試數據實(shí)時(shí)抽樣顯示

5. 成熟性和可靠性

該系統一寫(xiě)基本的硬件環(huán)境已經(jīng)建成。該項目現在已經(jīng)完成了基于lwip協(xié)議棧的web服務(wù)器的文件傳輸應用和軟硬件重配置的架構。還未完成的包括如SCSI大容量存儲模塊，Linux操作系統移植的部分工作和網(wǎng)絡(luò )編程的部分內容仍在有條不紊的繼續。

已完成模塊已經(jīng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗室的測試，由于小組人員從事過(guò)網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)和硬件防火墻的開(kāi)發(fā)。所以網(wǎng)絡(luò )方面可以達到預期的可靠性。另外移植Linux操作系統之后也會(huì )增加系統多任務(wù)狀態(tài)下的可靠性。

項目實(shí)施方案

1.方案基本功能框圖及描述

圖1 系統硬件框圖

系統的整體結構是基于web服務(wù)器的，它由客戶(hù)端和服務(wù)器兩部分組成，服務(wù)器端是一個(gè)帶有用戶(hù)待測控設備的XILINX XUP開(kāi)發(fā)板，客戶(hù)端是用戶(hù)的PC機。服務(wù)器主要完成對待測控用戶(hù)設備的測試和控制。由于FPGA對于接口的控制很靈活內部可以利用很多現有協(xié)議的IP核，所以這有利于系統對不同用戶(hù)設備測控的再利用。另外系統將整個(gè)軟硬件架構開(kāi)放只要用戶(hù)在客戶(hù)端把軟硬件代碼編譯好上傳到服務(wù)器就可以對服務(wù)器重新配置。為了方便用戶(hù)測試過(guò)程中對存儲器的要求，系統擴展了大容量高速SCSI存儲器模塊。這樣也滿(mǎn)足了用戶(hù)對高速數據處理系統的要求。

現將各個(gè)模塊簡(jiǎn)述如下：

PPC405是一個(gè)基于IBM PowerPC的32-bit定點(diǎn)嵌入式處理器硬核，在系統中工作頻率為300MHz。 DDR控制器為XILINX提供的免費IP core,它可以支持達2GB的DDR SDRAM，系統中SDRAM和PLB總線(xiàn)同步工作于100MHz，所以對于64bit的DDR SDRAM內存條來(lái)說(shuō)最大訪(fǎng)問(wèn)帶寬可以達到1.6GB/s。以太網(wǎng)MAC層控制器負責完成MAC層協(xié)議，MAC層以上的協(xié)議由軟件部分完成。網(wǎng)絡(luò )物理層采用Intel的物理層控制芯片WJLXT9720完成。標準輸入輸出設備接口包括鍵盤(pán)接口，簡(jiǎn)易的LED顯示接口。

System ace是XILINX的一項新技術(shù),通過(guò)一個(gè)ACE控制芯片可以將CF卡中固定格式的文件通過(guò)JTAG口加載到FPGA中。這樣可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將客戶(hù)端運行編譯好的FPGA配置文件上傳到服務(wù)器端。另外用戶(hù)編譯好的軟件可執行文件也可以放在CF卡中，由系統的boot程序來(lái)完成軟件的加載。

用戶(hù)自定義接口通過(guò)XPS開(kāi)發(fā)工具中自帶的IPIF模塊與PLB總線(xiàn)連接。這里我們自行開(kāi)發(fā)了一個(gè)高速的同步用戶(hù)接口，主要用于一些高速數據的傳輸，該接口在DMA傳輸下實(shí)際傳輸速率可以達到800MB/s。從而可以滿(mǎn)足一般用戶(hù)高速待測設備的數據接口要求。PLB IPIF模塊除了支持用戶(hù)分配地址空間和寄存器空間外還支持用戶(hù)自定義中斷，FIFO接口，DMA傳輸，主從設備的選擇。所以通過(guò)IPIF模塊用戶(hù)可以很方便的開(kāi)發(fā)各種高速的外部接口。

大容量高速存儲器是小組按照系統得要求另加的模塊，它由一組高速硬盤(pán)組成，可以完成對高速數據的實(shí)時(shí)讀寫(xiě)。為了滿(mǎn)足對圖像設備和實(shí)時(shí)數據的監控的要求，另外增加LCD顯示高速緩存模塊，可以滿(mǎn)足對高速數據或圖像的完全或抽樣顯示。

圖2 系統軟件流程圖

軟件部分流程圖如圖2所示，系統上電后首先由system ace模塊完成對FPGA的加載，加載后啟動(dòng)BRAM中的boot loader 程序完成對操作系統的引導。

之后建立web服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。按照網(wǎng)絡(luò )CS模型對接收到的命令或文件進(jìn)行處理，處理之后給出狀態(tài)報告。系統可以接收軟件或者硬件重構的命令完成對系統的重構。

2.需要的開(kāi)發(fā)平臺

實(shí)現本方案需要操作系統的支持并且需要為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)高速數據接口，包括開(kāi)發(fā)PLB總線(xiàn)外設。同時(shí)要利用system ace的在線(xiàn)重構功能。所以系統需要XUP VIRTEX-II PRO開(kāi)發(fā)板。已有軟件包括ISE9.1，Chipscope, XPS。

3.方案實(shí)施過(guò)程中需要開(kāi)發(fā)的模塊

現有需要開(kāi)發(fā)的功能模塊包括外部告訴數據存儲的SCSI硬盤(pán)存儲控制器以及基于Linux操作系統的控制驅動(dòng)程序。

圖形LCD驅動(dòng)器高速圖像緩存模塊。

4.系統最終要達到的性能指標

實(shí)現基于Linux的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器

通過(guò)客戶(hù)端網(wǎng)頁(yè)可以更新測試端服務(wù)器的軟硬件測試環(huán)境

測試端服務(wù)器的測試工作流程可以在客戶(hù)端定制

測試端服務(wù)器的測試數據結果可以在線(xiàn)分析，顯示或下載。

SCSI控制器目標數據讀寫(xiě)速率不低于80MB/s。

圖形顯示界面支持1024*768 60f/s刷新頻率。

五、需要的其它資源

1.設計輸入輸出功能子板

需要轉借SCSI控制器和圖像高速緩存模塊子板。

計劃在10月初完成PCB的加工和制作。11月底完成功能性調試。

2.測試設備

萬(wàn)用表、示波器、邏輯分析儀

3.仿針、開(kāi)發(fā)工具

仿真工具M(jìn)odelsim、開(kāi)發(fā)工具ISE等。