引言
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(yīng)用的擴(kuò)展,所涉及的領(lǐng)域十分廣泛,如傳統(tǒng)的工業(yè)控制、信息家電、智能家居、安全監(jiān)控、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信接口符合 UART 通信標(biāo)準(zhǔn)。這種通信方式的數(shù)據(jù)傳輸半徑十分有限,并不能滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枨?,并且不能接?Internet. 因此數(shù)據(jù)的交互接入 Internet 就顯得非常重要了。
1、系統(tǒng)的總體方案及各主要模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以 Microsemi(Actel)公司的基于 FLASH 架構(gòu)的 SoC FPGA 產(chǎn)品 Smart Fusion2 器件為核心。系統(tǒng)通過 Fabric 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)多路 UART 對(duì)外相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,進(jìn)行并 / 串轉(zhuǎn)換寫入 Fabric 的雙端口 RAM.SmartFusion2 的 ARM Cortex-M3 子系統(tǒng)經(jīng)過 AHB/APB 總線矩陣以 AHB/APB 方式訪問 Fabric 的 RAM,將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過 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?shù)酵獠康慕K端設(shè)備。PC 機(jī)端以網(wǎng)頁(yè)形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)頁(yè)存放于 SmartFusion2 內(nèi)部 FLASH,內(nèi)核 Cortex-M3 基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(FreeRTOS)管理任務(wù),IP 采用靜態(tài)方式,內(nèi)核 Cortex-M3 與 Fabric 采用 AHB 方式通信 . 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。
圖 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)可分為三個(gè)主要模塊,分別為 PHY 物理層模塊,SoC 的 Cortex-M3 內(nèi)核及 FPGA 系統(tǒng),UART 模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
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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(hào)標(biāo)準(zhǔn)、連線的狀態(tài)、時(shí)鐘信號(hào)的要求、數(shù)據(jù)編碼的格式和數(shù)據(jù)傳輸所用的連接器等。物理層通過一個(gè)定義好的接口與數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行通信。比如 MAC 可以利用標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)無(wú)關(guān)性接口( MII 接口)與 PHY 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通信。PHY 還有個(gè)重要的功能就是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的 CSMA/CD 部分功能,這是硬件上實(shí)現(xiàn)的。它可以檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)鏈路上是否有數(shù)據(jù)正在傳送,如果有數(shù)據(jù)在傳送中則進(jìn)行等待,當(dāng)檢測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。倘若兩塊網(wǎng)卡碰巧是同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),這將造成沖突,這時(shí) PHY 內(nèi)部的沖突檢測(cè)結(jié)構(gòu)可以檢測(cè)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(shù)據(jù)。
圖 2 PHY 電路連接圖
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.
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1.2 SoC 中的 Cortex-M3 模塊
系統(tǒng)使用 Cortex-M3 中的 MAC 模塊,如圖 3 所示。
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通過 AHB 控制 Ethernet MAC 模塊,對(duì)于 MAC 的配置是使用其內(nèi)部的寄存器,可以配置不同的接口模式,不同的速度。本系統(tǒng)配置為 MII 接口,100 Mb/s 速度。
圖 3 Cortex-M3 的 MAC
MAC(Media Access Control,媒體訪問控制子層協(xié)議),主要負(fù)責(zé)控制和連接物理層。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候,MAC 協(xié)議可以事先判斷現(xiàn)在是否可以發(fā)送數(shù)據(jù),如果可以發(fā)送則將給數(shù)據(jù)加上一些控制信息,最終將數(shù)據(jù)及附帶的控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送到物理層;在接收數(shù)據(jù)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(cuò)誤,如果沒有錯(cuò)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(biāo)準(zhǔn)定義。
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PHY 與 MAC 的接口方式有多種,如:
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MII,RMII,SMII,SSMII,GMII,SGMII,TBI 等。目前常見的 PHY 都提供標(biāo)準(zhǔn)的 MII 接口,RMII 信號(hào)是對(duì) PHY 內(nèi)部的 MII 的信號(hào)進(jìn)行編碼和解碼,這就是說(shuō)支持 MII 接口的 PHY 內(nèi)部都含有 RMII 信號(hào),也就是支持 RMII 接口。具體使用何種接口的 PHY 則必須根據(jù) MAC 芯片對(duì)應(yīng)的功能和接口的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定。
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采用 FreeRTOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。FreeRTOS 使用 Cortex-M3 內(nèi)核的定時(shí)器以 10 ms 時(shí)間片進(jìn)行任務(wù)的調(diào)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(shù)據(jù)全部發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 FLASH 中,目前測(cè)試是存儲(chǔ)在片內(nèi) FLASH,網(wǎng)頁(yè)發(fā)來(lái)的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理。網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)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)單一的過程(進(jìn)程)中,從而與操作系統(tǒng)內(nèi)核分開。應(yīng)用程序可能也駐留在 LwIP 處理過程中,或者在單獨(dú)的過程中。TCP/IP 棧和應(yīng)用程序之間的通信可以通過函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn),也可以通過更為抽象的 API[4-5]. 本設(shè)計(jì)的應(yīng)用層使用常用的 IPv4 協(xié)議,DHCP 和靜態(tài) IP 都進(jìn)行測(cè)試,傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層使用 TCP/IP.
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打包之后的需要介質(zhì)層 MAC 進(jìn)行處理,此 MAC 為 Cortex-M3 內(nèi)核自帶的,支持多種 MAC 接口,本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)采用 100Mb/s 傳輸。
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網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)更新,設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)。而這些數(shù)據(jù)來(lái)自 APB3 上,Cortex-M3 通過 FIC_0 和 APB3 進(jìn)行雙向通信,從而發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。FPGA 中 Fabric 和 APB3 進(jìn)行雙向通信,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在雙端口 SRAM 中,多路 UART 和 SRAM 進(jìn)行雙向通信。SRAM 在系統(tǒng)起緩存的作用,用來(lái)解決兩端讀寫速度的不同。
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而對(duì)于 UART 的數(shù)據(jù)也定義了協(xié)議,這些協(xié)議是區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的格式和內(nèi)容。對(duì)于 UART 的個(gè)數(shù)可以進(jìn)行增加,系統(tǒng) UART 的同步使用 FPGA 硬件實(shí)現(xiàn),不受個(gè)數(shù)的限制。
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1.3 FPGA 的 UART 模塊
本系統(tǒng)的主要功能是 UART 數(shù)據(jù)的采集與交互,使用網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行人機(jī)交換,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和控制,并且把采樣點(diǎn)的采樣時(shí)間也傳輸過去,使用戶知道數(shù)據(jù)的具體時(shí)間,便于以后的查看。
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在本設(shè)計(jì)中需要在 SmartFusion2 片內(nèi)的 FPGA 部分設(shè)計(jì)多路串口數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的控制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的多路串口數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。使用的多路串口數(shù)據(jù)采集方法是在 SmartFusion2 片內(nèi)的 FPGA 中設(shè)計(jì)一個(gè) UART 控制器去采集多路數(shù)據(jù)[6]. 控制器并不完成串轉(zhuǎn)并控制,而是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多路串口數(shù)據(jù)狀態(tài),并將多路串行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)切換送入 RAM 控制器,串行的數(shù)據(jù)經(jīng)過 RAM 控制器串行的進(jìn)入 RAM 中去。如圖 4 所示。
圖 4 串口復(fù)用數(shù)據(jù)采集
當(dāng)多路串口中任何一路,任何時(shí)候到來(lái)數(shù)據(jù)的時(shí)候,UART 控制器都能感知這次串行數(shù)據(jù),并開通相應(yīng)的信道,將某一路的串口數(shù)據(jù)送到 RAM 控制器。然后 RAM 控制器將該信道的串行數(shù)據(jù)寫入 RAM 中。這樣就可以完成對(duì)多路串口數(shù)據(jù)的采集工作。
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在該方案中,需要在 SmartFusion2 片上的 FPGA 內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè) UART 控制器作為查詢機(jī)制中的主機(jī),各個(gè)終端串口作為從機(jī),提供串口數(shù)據(jù)。主機(jī)會(huì)定時(shí)的在 SEL 總線上發(fā)出從機(jī)的片選信號(hào),用于選通從機(jī)設(shè)備。當(dāng)從機(jī)被選中之后,從機(jī)自己會(huì)做出判斷,如果該從機(jī)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送,則該從機(jī)立刻將串行的數(shù)據(jù)發(fā)出。如果從機(jī)沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送,則從機(jī)對(duì)該選擇信號(hào) SEL 不做任何反應(yīng),定時(shí)時(shí)間到,主機(jī)會(huì)自動(dòng)的去選通下一路從機(jī),從機(jī)工作原理與之類似。這樣的做法同樣可以完成對(duì)多路串口數(shù)據(jù)的采集工作。
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2、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用 FreeRTOS 操作系統(tǒng),通過創(chuàng)建 WebServer 進(jìn)程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。在初始化完成后,執(zhí)行 WebServer 進(jìn)程,WebServer 進(jìn)程發(fā)送網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)、更新網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)、得到采集的數(shù)據(jù)。而關(guān)于以太網(wǎng)的協(xié)議則使用 LwIP 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。對(duì)于硬件層則使用 Cortex-M3 內(nèi)部的 MAC 和外部的 PHY 進(jìn)行傳輸。實(shí)現(xiàn)物理層的傳輸[7]. 因此本設(shè)計(jì)的思路是發(fā)送接收數(shù)據(jù)給網(wǎng)頁(yè)和接收發(fā)送 APB3 上對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)據(jù)。將 UART 的數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)頁(yè) HTTP 數(shù)據(jù)格式互換。
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軟件設(shè)計(jì)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(duì)于 LwIP 協(xié)議使用其中的 IPv4 應(yīng)用層,使用 TCP/IP 傳輸,DHCP 動(dòng)態(tài)獲取 IP,數(shù)據(jù)鏈路層使用內(nèi)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(jī)通信[8].
圖 5 軟件設(shè)計(jì)框圖
采用自動(dòng)連接的方式與以太網(wǎng)相連,對(duì)于 HTTP 數(shù)據(jù)采用監(jiān)聽的方式,有 HTTP 數(shù)據(jù)則執(zhí)行相應(yīng)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(jī)的,而是來(lái)自 SmartFusion2 的,能夠達(dá)到顯示數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間,方便用戶查看和保存帶有時(shí)間的數(shù)據(jù)。
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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(jié),100 Mb/s 模式。MAC 初始化后就是對(duì)于協(xié)議的選擇,本系統(tǒng)選擇 TCP/IP 協(xié)議,通過 tcpip_input 調(diào)用初始化網(wǎng)絡(luò)的配置。對(duì)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(shù),DHCP 使用 dhcp_star 函數(shù)來(lái)開始。
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WebServer 是系統(tǒng)的主任務(wù),負(fù)責(zé)網(wǎng)頁(yè)和 APB3 上數(shù)據(jù)的交互。首先是使用 netconn_bind 函數(shù)新建一個(gè) 80 端口(HTTP)的網(wǎng)絡(luò),建立好后就一直處于監(jiān)聽狀態(tài)的 netconn_listen 函數(shù)。
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有網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)則發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。如果有網(wǎng)頁(yè)打開數(shù)據(jù)的請(qǐng)求,則開始發(fā)送網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)頭和主界面的數(shù)據(jù),同時(shí)將網(wǎng)頁(yè)的運(yùn)行的程序也發(fā)送過去,這樣內(nèi)核就可以方便和網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行通信。
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對(duì)于網(wǎng)頁(yè)的刷新和數(shù)據(jù)請(qǐng)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(qǐng)求則將更新的檢測(cè)數(shù)據(jù)和日期時(shí)間數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)頁(yè)。有點(diǎn)擊控制命令,處理器則馬上響應(yīng),將控制命令轉(zhuǎn)換并發(fā)送給 APB3,也就發(fā)送給了 UART. 當(dāng)然,這里面所有的數(shù)據(jù)都是加了相應(yīng)的通信協(xié)議。
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如發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)頁(yè)時(shí)則需要使用 netconn_write 函數(shù),首先是網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)頭,然后是相應(yīng)的數(shù)據(jù)。如果無(wú)網(wǎng)絡(luò)連接、無(wú)網(wǎng)頁(yè)請(qǐng)求、請(qǐng)求完成等都是使用 netconn_close 函數(shù)關(guān)閉網(wǎng)絡(luò),使用 netbuf_delete 函數(shù)刪除網(wǎng)絡(luò),然后又去監(jiān)聽是否有新的網(wǎng)絡(luò)存在并連接。
圖 6 軟件設(shè)計(jì)流程圖
以智能家居數(shù)據(jù)采集與交互為例,系統(tǒng)軟件設(shè)置流程圖如圖 6 所示,首先是時(shí)鐘和外設(shè)的初始化,再是以太網(wǎng)相關(guān)的初始化,包括 MAC 和 PHY 的初始化,IP 的獲取方式,設(shè)置 MAC 地址、IP 地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān),設(shè)置傳輸?shù)膮f(xié)議等。硬件層、傳輸層設(shè)置以后就是應(yīng)用層,創(chuàng)建 WebServer 應(yīng)用程序。此應(yīng)用程序也是主應(yīng)用程序,在 FreeRTOS 中的優(yōu)先級(jí)是最高的,堆棧大小也是最大的。WebServer 任務(wù)就是與網(wǎng)頁(yè)通信,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)的刷新。任務(wù)的調(diào)度和切換時(shí)通過定時(shí)器實(shí)現(xiàn),10 ms 為一個(gè)時(shí)間片,調(diào)度函數(shù)為 vTaskStartScheduler 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
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3、結(jié)語(yǔ)
本文利用源代碼開放的 TCP/IP 協(xié)議棧 LwIP 和簡(jiǎn)單實(shí)用的操作系統(tǒng) FreeRTOS 軟件平臺(tái)和 SmartFusion2 的硬件平臺(tái)構(gòu)建了基于 SoC 的數(shù)據(jù)采集與交互系統(tǒng),完成設(shè)備數(shù)據(jù)信息的采集及處理并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交流與共享。通過實(shí)際運(yùn)行測(cè)試,系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,具有一定推廣使用價(jià)值。
評(píng)論
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