基于MicroBlaze的嵌入式串口服務(wù)器的設計實(shí)現，提供軟硬件架構、原理

項目背景及可行性分析

1. 項目名稱(chēng)、項目的主要內容及目前的進(jìn)展情況

項目名稱(chēng)：基于MicroBlaze的嵌入式串口服務(wù)器的實(shí)現

項目的主要內容：本作品將要實(shí)現一個(gè)串口服務(wù)器，它有2個(gè)串口，每個(gè)串口可以連接一個(gè)需要服務(wù)的對象，比如門(mén)禁，消防，火警，馬達，燈光，空氣等各樣需要監測的終端。為了便于實(shí)現和演示，我們采用的監測終端為燈光，微型電機，溫度和紅外開(kāi)關(guān)。將這些數據通過(guò)終端微控制器（單片機等）采集后通過(guò)RS232傳送給串口服務(wù)器轉換為IP數據包，通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )上。

目前的進(jìn)展情況：開(kāi)始做數據采集板（單片機系統）

2. 項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng )新點(diǎn)的論述；

隨著(zhù)串口轉換設備的發(fā)展和Internet的廣泛普及，出現了類(lèi)似于以太網(wǎng)交換設備的串口服務(wù)器，可以把提供RS232／485／422接口的終端裝置集中組網(wǎng)，然后通過(guò)以太網(wǎng)接口與上位機組成以太網(wǎng)，“讓全部設備連接網(wǎng)絡(luò )”已經(jīng)成為全世界企業(yè)的共識。

為了能跟上網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)化的潮流，不至于失去競爭優(yōu)勢，必須建立高品位的數據采集、生產(chǎn)監控、即時(shí)成本管理的聯(lián)網(wǎng)系統。利用基于TCP/IP的串口數據流傳輸的實(shí)現來(lái)控制管理的設備硬件，無(wú)需投資大量的人力、物力來(lái)進(jìn)行管理、更換或者升級。

串口服務(wù)器就使得基于TCP/IP的串口數據流傳輸成為了可能，它能將多個(gè)串口設備連接并能將串口數據流進(jìn)行選擇和處理，把現有的RS 232接口的數據轉化成IP端口的數據，然后進(jìn)行IP化的管理，IP化的數據存取，這樣就能將傳統的串行數據送上流行的IP通道，而無(wú)需過(guò)早淘汰原有的設備，從而提高了現有設備的利用率，節約了投資，還可在既有的網(wǎng)絡(luò )基礎上簡(jiǎn)化布線(xiàn)復雜度。在制定設計方案和選定器件時(shí)遇到的技術(shù)難點(diǎn)是如何利用處理器對串口數據信息進(jìn)行TCP/IP協(xié)議處理，使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸的IP數據包。

目前解決這個(gè)問(wèn)題很多時(shí)候采用32位MCU + RTOS方案，在嵌入式系統中實(shí)現TCP/IP的協(xié)議處理。它的缺點(diǎn)是：1：對于需要改造的的設備數量一般不確定，難以找到具有合適的外設的cpu剛好來(lái)匹配，普通cpu一般功能較齊全，但是對于串口服務(wù)器而言，很多功能成為多余，而所需的功能卻有限。2：一般的cpu都不具備可更改外設功能，想升級就只能再加一個(gè)系統或者全部更換，勢必使成本大幅上升。3：由于硬件系統還涉及到數據線(xiàn)／地址線(xiàn)復用、串并轉換、器件中斷信號譯碼、時(shí)鐘信號生成、控制信號接入等功能，若是選用不同的器件來(lái)完成，勢必會(huì )造成許多諸如時(shí)延不均等問(wèn)題，所以往往還需要用了一片大容量的高性能可編程邏輯器件來(lái)完成上述所提到的功能。

那么現在采用帶MicroBlaze軟核處理器的FPGA系統就能克服上面的缺點(diǎn)，MicroBlaze軟核可以根據需要進(jìn)行配置，既可以配置成功能齊全但外設數量有限的內核，也可以配置成功能單一，但是外設數量較多的內核。這樣，針對大部分的應用場(chǎng)合都有很好的適應性，更方便升級，只需再配置相應數量的外設即可。很明顯無(wú)需額外增加可編程邏輯器件，Spartan™-3本身就是功能強大、性能優(yōu)異的可編程邏輯器件，系統的集成度得到很大提高。

3. 技術(shù)成熟性和可靠性論述：
4. 目前解決這個(gè)問(wèn)題低檔采用51單片機或者16位的單片機，但是功能相

對簡(jiǎn)單和單一，一般沒(méi)有實(shí)時(shí)操作系統進(jìn)行多任務(wù)管理。高檔的多采用32位MCU + RTOS方案，主要是采用ARM系列，在嵌入式系統中實(shí)現TCP/IP的協(xié)議處理。而近年隨著(zhù)FPGA的大力發(fā)展，出現了軟核處理器，具備高度的可編程能力和可配置性，大大增強了系統的設計靈活性，使得我們構建硬件環(huán)境非常方便，不用過(guò)多顧慮處理器的資源不合適或者不夠用，可以把主要精力放在軟件開(kāi)發(fā)和功能實(shí)現上。極大縮短開(kāi)發(fā)周期。

高性?xún)r(jià)比的Spartan™-3芯片可以在片內實(shí)現MicroBlaze CPU，集成2組UART接口，數據線(xiàn)／地址線(xiàn)復用、串并轉換、器件中斷信號譯碼、時(shí)鐘信號生成、控制信號接入等功能，一片FPGA就可以輕松完成上述所提到的功能。這種高度集成系統使得抗干擾能力大大增強，減小電路板體積，同時(shí)通信速率和穩定性得到很大提高。

最重要的是當應用系統硬件需要擴充或者升級時(shí)，基于FPGA的MicroBlaze系統很容易就實(shí)現，因為它有優(yōu)異的配置性能。應用程序需要升級時(shí)，只需在uclinux嵌入式操作系統的基礎上添加相應的驅動(dòng)和應用程序就可以了，實(shí)現方便。所以可以這么說(shuō)，基于FPGA的MicroBlaze系統本身就是為了適應靈活定制，系統集成，方便升級而出現的。