摘要：嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件分為三個(gè)部分：FPGA部分、存儲(chǔ)器部分和外圍元件部分。

引言

　　本文對(duì)嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器進(jìn)行了開發(fā)研究，提出用SOPC技術(shù)來解決控制器硬件設(shè)計(jì)中存在的接口速率瓶頸問題，提高了控制器的實(shí)時(shí)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠隨著工業(yè)以太網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用，嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)也越來越多地滲入到了工控領(lǐng)域，以ColdFire微處理器和ARM處理器為硬件平臺(tái)的嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于上述這些系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)并不完全針對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用情況，因此在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)硬件資源浪費(fèi)或者資源不夠的問題，開發(fā)系統(tǒng)往往需要外接PLD芯片來進(jìn)行外圍器件的邏輯控制，存在接口速率的瓶頸問題。基于SOPC技術(shù)的NIOS處理器能解決這個(gè)難題。

硬件設(shè)計(jì)

　　控制器的硬件設(shè)計(jì)在SOPC Builder和QuartusII中完成。利用它們可以靈活定制NIOS CPU的各個(gè)特性甚至指令，可以使用Altera提供的大量IP來加快開發(fā)NIOS外設(shè)的速度，提高外設(shè)的性能，還可以使用第三方IP，或VHDL、Verilog來定制外設(shè)。

　　嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件分為三個(gè)部分：FPGA部分、存儲(chǔ)器部分和外圍元件部分，如圖1所示。本文選用的FPGA是CYCLONE EP1C6。

　　在SOPC Builder中需要設(shè)計(jì)的是FPGA部分，要建的NIOS系統(tǒng)包含的元件模塊有：一個(gè)NIOS CPU 核，用于連接NIOS核的Avalon總線控制器，一個(gè)存放啟動(dòng)和調(diào)試程序的內(nèi)部存儲(chǔ)器Boot ROM，一個(gè)UART串行通信電路模塊(RS232核)，一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器和一些通用I/O外圍接口模塊。為使NIOS系統(tǒng)正常工作，在FPGA外圍必須接有一個(gè)RS232通信口、RJ45、幾個(gè)發(fā)光管和數(shù)碼管以及16M的SRAM和4M的Flash ROM。

軟件設(shè)計(jì)

　　由于在硬件開發(fā)中的NIOS CPU及其外設(shè)構(gòu)成的系統(tǒng)是自定制的，存儲(chǔ)器、外設(shè)地址的映射等都各不相同，因此需要專有的SDK(軟件開發(fā)包)。在完成NIOS的硬件開發(fā)后，SOPC Builder能夠自動(dòng)生成SDK。

　　軟件部分的開發(fā)幾乎與通常的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)沒有區(qū)別，唯一的不同只在于：這里的嵌入式系統(tǒng)是自己定制的、裁剪過的，受到硬件的局限小一些。

　　考慮到性價(jià)比以及現(xiàn)場控制需要，控制器的操作系統(tǒng)采用了整個(gè)嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點(diǎn)：

　　1) 很高的靈活性。由于微處理器采用NIOS，使得系統(tǒng)資源能夠靈活調(diào)配，并且克服了采用其它處理器中存在的接口速率瓶頸的缺點(diǎn)，適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的要求。

　　2) Clinux裁減后體積非常小，且具備以太網(wǎng)功能，這樣可以很容易實(shí)現(xiàn)控制器的微型化、網(wǎng)絡(luò)化;?很高的集成度。由于NIOS具有豐富的接口資源，而

　　3) 很高的實(shí)時(shí)性。本控制器在硬件和軟件設(shè)計(jì)時(shí)都充分考慮了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。硬件設(shè)計(jì)中采用了高速A/D(500kHz)和多路D/A輸出，使得關(guān)鍵信號(hào)能及時(shí)采樣和輸出，保證了“硬實(shí)時(shí)”;操作系統(tǒng)中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實(shí)時(shí)”。

實(shí)際應(yīng)用

　　針對(duì)某企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場需要，該控制器被應(yīng)用到基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)中。針對(duì)現(xiàn)場對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性參數(shù)的嚴(yán)格要求，采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢栽黾泳W(wǎng)絡(luò)的可靠性。

　　解決網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性問題時(shí)采用了控制區(qū)域(Control Domain)的概念，將控制現(xiàn)場分區(qū)，減少各個(gè)控制區(qū)資源競爭的情況。控制區(qū)域之間通過交換式以太網(wǎng)交換機(jī)來通信。每個(gè)控制區(qū)域包含以太網(wǎng)交換機(jī)和嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器，以及一些變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖2所示。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：