把網(wǎng)絡(luò )引進(jìn)嵌入式控制系統----微型單板計算機加軟件可顯著(zhù)減少聯(lián)網(wǎng)控制系統的復雜性

OEM廠(chǎng)商把強大的網(wǎng)絡(luò )功能引進(jìn)到嵌入式應用系統中?，F在，自動(dòng)裝配線(xiàn)的監控人員可以坐在臺式計算機前面，通過(guò)Web瀏覽器，監控和調整總裝線(xiàn)上的每一個(gè)設備部件；醫生則可以通過(guò)Web瀏覽器把一系列上網(wǎng)診斷設備的數據調集在一起，進(jìn)行綜合分析。

許多OEM廠(chǎng)家對產(chǎn)品上網(wǎng)有些顧慮，怕拖延產(chǎn)品上市時(shí)間、怕需要一筆可觀(guān)的起動(dòng)資金、怕會(huì )有長(cháng)遠的維修費用。Bright Start Engineering公司率先實(shí)現了一項既簡(jiǎn)單、價(jià)格又不貴的上網(wǎng)技術(shù)。這就是集軟硬件和必要的開(kāi)發(fā)環(huán)境于一身的垂直式網(wǎng)絡(luò )引擎，我們叫ipEngine。

對于多種控制應用系統，ipEngine可以作為控制器使用。ipEngine用FPGA構成虛擬接口，可動(dòng)態(tài)地配置內部功能和外部接口，以適應各種用戶(hù)的應用需要。圖1給出了ipEngine在生產(chǎn)廠(chǎng)中的應用示例。作為混合罐的控制器，ipEngine以M型模塊方式裝在混合罐主接口電子線(xiàn)路板上。它和傳感器相連以測量溫度、壓力，與執行機構相連以控制轉動(dòng)部分的工作和速度。ipEngine板上的軟件完成閉環(huán)控制所需的任一功能，板上嵌入的Web服務(wù)器支持在intranet或Intenet網(wǎng)上的任意地方，都可通過(guò)瀏覽器對設備進(jìn)行監視和控制。為防止對設備進(jìn)行非授權的訪(fǎng)問(wèn)，Web網(wǎng)頁(yè)設有口令字，保證Web網(wǎng)服務(wù)的安全。

IpEngine還可提供對原有的控制系統提供上網(wǎng)能力。譬如，對于圖1中的焊接機器人，ipEngine安裝在原有的控制系統內。有的控制系統多數都有標準總線(xiàn)接口。將ipEngine上的FPGA配置成對應的標準總線(xiàn)協(xié)議，如PC機的ISA、PCMCIA或VME總線(xiàn)等。ipEngine可經(jīng)總線(xiàn)與已有控制系統相連，雖然軟件的閉環(huán)控制部分用不著(zhù)，但是它卻擔當起焊接機器人已存在的接口協(xié)議與Internet網(wǎng)之間的網(wǎng)關(guān)作用。

與ipEngine硬件相配套的有兩種預集成的、不需付版權費的操作系統。一個(gè)是實(shí)時(shí)的基于POSIX的網(wǎng)絡(luò )操作系統；一個(gè)是Linux嵌入版本。兩個(gè)操作系統都支持完備的TCP/IP連網(wǎng)和Web服務(wù)器。

結構

圖2是ipEngine的硬件結構圖。微處理器是Motorola生產(chǎn)的 嵌入式MPC823型PowerPC。之所以選MPC823是因為它有豐富的外圍接口，包括Ethernet、USB、和I2C，還有兩個(gè)串行口和一個(gè)LCD控制器。MPC823有適合于電池供電片上的許多低功耗工作模式。ipEngine板上有16MB DRAM，2MB FLASH（快閃）存儲器，使應用軟件足以從網(wǎng)上下載，或存于FLASH。板上有專(zhuān)門(mén)的開(kāi)關(guān)電源，除自用外還可以向用戶(hù)的電子電路供電。開(kāi)關(guān)電源的輸入為5~18V的單一直流電源。

虛擬接口

ipEngine板上采用由FPGA構成的介于MPC823和用戶(hù)電子電路之間的虛擬接口。FPGA選用Altera公司的EPF6016，具有1300個(gè)用戶(hù)可配置的觸發(fā)器。因為FPGA的配置數據每次上電要重裝一次，或運行中進(jìn)行配置，重裝約需10ms。虛擬接口的外引接插件有132引腳，其中82引腳接FPGA，其余接時(shí)鐘、電源和MPC823的外圍功能。另有128K×16位高速同步SRAM掛在FPGA上，作為虛擬接口的高速緩沖。FPGA中有專(zhuān)門(mén)為MPC823和FPGA訪(fǎng)問(wèn)SRAM時(shí)所需的仲裁電路。SRAM也用做高速同步I/O與處理器內核之間的緩沖，和存放輸出波形的查表數據。板上的鎖相環(huán)電路能合成任意頻率的時(shí)鐘信號，為PowerPC提供片上波特率信號源和FPGA所需的低時(shí)滯時(shí)鐘，還留有一路經(jīng)虛擬接口的插頭方便用戶(hù)的使用。

傳感器及執行機構接口

ipEngine提供的典型I/O接口有：串行I/O，并行總線(xiàn)及I/O，波形輸入/輸出。見(jiàn)圖3。

串行I/O 對于串行設備的同步 （如AD/DA變換器）使用內部移位寄存器加上一些控制邏輯，因此，串行模擬變換器可由FPGA上8/16位寄存器的讀和寫(xiě)來(lái)操作?，F在MPC823用的是查詢(xún)方式，將來(lái)可以用中斷或DMA方式。典型的同步串行口大約耗用20~30個(gè)觸發(fā)器。

并行I/O及總線(xiàn) 并行AD/DA變換器及分立的I/O設備的接口FPGA的寄存器來(lái)實(shí)現。復雜的雙向存儲器接口和處理器總線(xiàn)式接口也由FPGA的內部邏輯來(lái)實(shí)現。

波形輸入

主要用于輸入波形的測量和比較，如脈沖的頻率、脈寬和多路脈沖的相位等。它們用輸入波形對內部的計數器進(jìn)行門(mén)控或鐘控來(lái)實(shí)現。

波形輸出

主要是PWM驅動(dòng)和控制步進(jìn)馬達等的輸出。它們用計數器、寄存器、比較器或方向控制電路來(lái)實(shí)現。用更復雜的邏輯還可實(shí)現加速和制動(dòng)輸出。

虛擬接口的討論

以FPGA為基礎的虛擬接口能省去連接用戶(hù)傳感器和執行機構等的附加硬件，可節省開(kāi)發(fā)調試的時(shí)間。因為FPGA的各種配置軟件可以事前開(kāi)發(fā)或更新，使用時(shí)可在現場(chǎng)升級。 但是虛擬接口的缺點(diǎn)是，雖然可向用戶(hù)硬件提供靈活的接口，但缺少工業(yè)標準總線(xiàn)（即PC/104和VME），而不能為現成的標準I/O卡提供接口?，FBSE公司完成了FPGA上的ISA總線(xiàn)接口，以及PC/104模板。雖然FPGA可以實(shí)現很多復雜的功能，但是用戶(hù)要花很多時(shí)間去開(kāi)發(fā)。為此，BSE公司打算提供上千種預先編輯好的fpgaWare庫，其中包括標準的內部外設和外部接口，fpgaWare庫可通過(guò)自動(dòng)處理向用戶(hù)提供。

操作系統

BSE公司首選的是自己的pKernel實(shí)時(shí)操作系統，pKernel提供POSIX操作，以及上網(wǎng)應用的開(kāi)發(fā)環(huán)境。它集成了TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和Apache Web server嵌入式版本。第二個(gè)選用的操作系統是Linux嵌入式版本。ipEngine上裝有Linux全部?jì)群撕途W(wǎng)絡(luò )實(shí)用程序，但節省了幾百兆的硬盤(pán)，用起來(lái)還是方便的。除上述Linux內核和實(shí)用程序外，ipEngine的板上閃存還裝有Apache Web server，Java虛擬機等，存儲空間最后還有剩余。

BSE能提供嵌入式Linux和pKernel環(huán)境下的開(kāi)發(fā)工具套件。還有開(kāi)發(fā)者立即可用的硬件和軟件，它們有：ipEngine板、電源、PowerPC成套交叉編譯工具、Linux或pKernel、機箱、文件和技術(shù)支持等。