基于NiosII的嵌入式監(jiān)控平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所 陳建國

0 引言

在設(shè)備的應(yīng)用過程中，監(jiān)控模塊作為必不可少的組成部分，其操作的便利性可以很直觀的體現(xiàn)在用戶面前。因此設(shè)計(jì)一款接口豐富，運(yùn)行高效的嵌入式監(jiān)控平臺尤為重要。豐富監(jiān)控平臺的各種接口，可以滿足其應(yīng)用的多場景化，這不僅可以避免更多的重復(fù)工作，降低新的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)還可以大大提高設(shè)備的研發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。

傳統(tǒng)的單片機(jī)、ARM等芯片外部接口和片內(nèi)存儲單元資源有限，很難滿足監(jiān)控平臺的多接口需求和程序運(yùn)行高效需求。而隨著FPGA芯片性能的不斷提高及應(yīng)用場景的廣泛性，以片上可編程系統(tǒng)技術(shù)為核心的嵌入式系統(tǒng)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域嶄露頭角[1]，Altera公司推出的SOPC（System On Programmable Chip）是一種靈活、高效的Soc解決方案，是一種新的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。它將處理器、存儲器、UART、PLL、I/O接口等功能模塊集成在一個(gè)FPGA上，構(gòu)成一個(gè)可編程的Soc[2]。本文采用的基于Nios II的軟硬件平臺解決方案是能夠快速地設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)可配置、可裁減的軟核系統(tǒng)[3]，此軟核系統(tǒng)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如配置靈活，成本低廉，開發(fā)者可以在軟核中靈活添加需要的功能模塊，但成本不會隨之增加，性價(jià)比極高。

在以往的以太網(wǎng)解決方案中，軟件開發(fā)人員需要在CPU中進(jìn)行TCP/IP協(xié)議棧的代碼開發(fā)，開發(fā)周期長，難度大，不易維護(hù)，調(diào)試繁瑣。本方案中，為了實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口功能，我們采用WIZnet公司開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)接口芯片W5300來實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部集成了MAC和TCP/IP協(xié)議棧，只需在軟核中添加W5300接口模塊即可，避免了設(shè)計(jì)人員對代碼的開發(fā)，也可提高程序運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理

本設(shè)計(jì)中的嵌入式監(jiān)控硬件平臺選用了一款FPGA芯片作為主控芯片，并采用SOPC builder建立自己需要的軟核。系統(tǒng)功能組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)選用一片配置芯片EPCS64，用來存儲FPGA的配置文件。內(nèi)存擴(kuò)展方面，該平臺外擴(kuò)一片SDRAM芯片以增加系統(tǒng)的內(nèi)存空間，便于運(yùn)行較大規(guī)模的程序。系統(tǒng)外掛一片大容量的FLASH，滿足系統(tǒng)文件的掉電存儲需求。設(shè)備的參數(shù)信息在EEPROM中進(jìn)行存儲。通信接口方面，該平臺提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232、RS485串口、IIC接口、10/100M網(wǎng)口；此外該硬件監(jiān)控平臺還提供豐富的用戶交互接口。用戶可通過按鍵和顯示屏對設(shè)備進(jìn)行操作，平臺還可根據(jù)喇叭和指示燈接口實(shí)時(shí)了解設(shè)備的狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)功能組成框圖

1.2 Nios II處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖2 NiosII軟核系統(tǒng)組成圖

NiosII嵌入式處理器是由美國的Altera公司推出的第二代32位軟核處理器。與第一代相比，性能有了極大的提升，此外程序代碼的可移植性大大增強(qiáng)， 利用SOPC Builder工具，可以快捷地構(gòu)建所需要的軟核系統(tǒng)，在SOPC的系統(tǒng)組件中集成了大部分常用的IP接口，開發(fā)人員只需將其添加到所建的軟核系統(tǒng)中，并能對接口的一些常用屬性進(jìn)行配置[4]；對少部分SOPC元件庫內(nèi)不支持的IP功能模塊，SOPC也有很好的可擴(kuò)展性，用戶可以將硬件語言開發(fā)的邏輯單元作為新的IP核添加到系統(tǒng)元件庫中，便于在后續(xù)的開發(fā)中進(jìn)行應(yīng)用。本系統(tǒng)的軟核組成圖如圖2所示。

首先構(gòu)建的是C P U模塊Nios II Processor，對于軟核的類型，本方案選擇了Nios II/f快速型軟核處理器，該處理器功能最多，速度最快。系統(tǒng)除CPU外還包括SDRAM、EPCS、KEY、RS485、RS232、指示燈LED、SPEAKER、FLASH、FLASH、TIMER、IIC、EE-PROM、OLED、W5300_INT、網(wǎng)絡(luò)接口芯片W5300、JTAG_UART等接口。IIC和W5300接口 在SOPC元件庫中沒有對應(yīng)的IP核，是需要我們自定義的模塊，可以根據(jù)其應(yīng)用要求使用硬件語言描述其接口，然后添加到元件庫中進(jìn)行應(yīng)用。SDRAM是內(nèi)存接口，支持程序的運(yùn)行。EPCS是FPGA配置芯片的接口，用于存儲FPGA的配置文件。JTAG_UART作為系統(tǒng)調(diào)試串口，可以在開發(fā)時(shí)用來打印調(diào)試信息。 KEY和OLED是用戶的操作接口，系統(tǒng)還提供強(qiáng)大的通信接口，通信方式包括 IIC接口、RS485串口、RS232串口、網(wǎng)口，可以滿足工程需要。在數(shù)據(jù)存儲方面，系統(tǒng)提供除了IIC接口將設(shè)備參數(shù)存儲于EEPROM中外，還提供FLASH接口進(jìn)行大容量的數(shù)據(jù)存儲。此外，系統(tǒng)提供了聲光指示如LED燈和喇叭來實(shí)時(shí)體現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)。在軟核中添加完上述的功能模塊后，可以利用SOPC Builder對系統(tǒng)中各模塊的基地址進(jìn)行自動分配，如果有特殊的需要，對基地址也可以進(jìn)行手動設(shè)置，點(diǎn)擊相應(yīng)的地址，進(jìn)行手動修改就可以了。分配完基地址以后，要對各模塊的中斷號進(jìn)行分配，采用同樣的方法即可對中斷號進(jìn)行自動分配，如果有特殊需要，也可手動更改中斷的優(yōu)先級。但要注意，中斷號不可重復(fù)，否則編譯時(shí)，系統(tǒng)會報(bào)錯(cuò)。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

為了提升設(shè)備響應(yīng)用戶操作的實(shí)時(shí)性，在軟件框架的設(shè)計(jì)上我們采用分層模塊化設(shè)計(jì)方案，頂層的應(yīng)用程序完全獨(dú)立于底層的驅(qū)動程序，底層程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收，通過中間層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，傳送給應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)用。這樣開發(fā)人員在進(jìn)行應(yīng)用層的編碼時(shí)，可以不依賴于底層函數(shù)，這樣可以提高程序開發(fā)的效率。另外，程序框架進(jìn)行分層處理后，對代碼的移植，裁剪，重用都比較靈活。本方案軟件框架可以分為應(yīng)用服務(wù)層、數(shù)據(jù)處理層和接口驅(qū)動層。應(yīng)用服務(wù)層可以響應(yīng)用戶的鍵盤操作并提供相應(yīng)的界面顯示；數(shù)據(jù)處理層負(fù)責(zé)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的處理，并對軟件運(yùn)行中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，完成各程序之間數(shù)據(jù)的共享；接口驅(qū)動層負(fù)責(zé)各接口的底層驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)各模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)及模塊的頂層應(yīng)用需求。軟件的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件體系結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵問題及解決方法

2.1 網(wǎng)絡(luò)接口芯片W5300

在以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案中如果采用軟件方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，編碼人員要熟練TCP/IP協(xié)議棧，編碼和調(diào)試工作難度很大，并且網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相對復(fù)雜，這必然會影響程序運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此直接采用硬件協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入具有設(shè)計(jì)簡單、應(yīng)用靈活的特點(diǎn)[5]。在本設(shè)計(jì)中我們選用了一款專用網(wǎng)絡(luò)芯片W5300，此芯片內(nèi)部集成10/100M以太網(wǎng)控制器，MAC和TCP/IP協(xié)議棧。這樣通過采用專用硬件芯片來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接入，可以極大提高程序的穩(wěn)定性，降低開發(fā)人員的開發(fā)難度。

2.2 W5300組件的建立

在SOPC Builder的系統(tǒng)元件庫中沒有提供W5300的網(wǎng)絡(luò)接口，我們可以根據(jù)W5300的使用手冊，通過硬件描述語言，編寫我們自己的邏輯模塊，然后將該模塊添加到元件庫中。在添加組件時(shí)，通過Component Editor對信號進(jìn)行設(shè)置， W5300組件信號圖如圖4所示。

圖4 W5300組件信號圖

另外要對信號周期進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)W5300的時(shí)序要求和系統(tǒng)采用的時(shí)鐘，設(shè)置readwait為6個(gè)周期，writewait為5個(gè)周期其余默認(rèn)。

3 測試

將代碼按照軟件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并下載到硬件監(jiān)控平臺上，重新上電后進(jìn)行系統(tǒng)測試。配合顯示屏、按鍵和相關(guān)的接口測試工具檢驗(yàn)測試結(jié)果。通過網(wǎng)口測試工具，給監(jiān)控平臺發(fā)送一幀網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，程序接收到網(wǎng)路數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)顯示到顯示屏上。再通過按鍵操作，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)口測試工具上。通過此方法可驗(yàn)證顯示功能、按鍵功能、網(wǎng)口收發(fā)功能正常。同理，配合串口測試工具，可驗(yàn)證RS232串口、RS485串口收發(fā)正常。IIC接口的測試通過示波器進(jìn)行驗(yàn)證，外部程序給IIC接口發(fā)送一個(gè)字節(jié)，程序接收到數(shù)據(jù)后，顯示到屏幕界面上，再通過按鍵操作，給IIC接口發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，通過外部的示波器驗(yàn)證了發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性。程序中通過定時(shí)器，每秒鐘向數(shù)據(jù)存儲器中寫入一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，下一秒再從存儲器中將數(shù)據(jù)讀出，將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，同時(shí)每秒鐘控制指示燈進(jìn)行閃爍，喇叭進(jìn)行鳴響。通過上述系統(tǒng)的測試，驗(yàn)證了監(jiān)控平臺硬件和軟件系統(tǒng)的正確性。硬件穩(wěn)定可靠，軟件運(yùn)行流暢。

4 結(jié)束語

本文以FPGA芯片為核心，提出了基于Nios II的嵌入式監(jiān)控平臺的設(shè)計(jì)方案，該方案提供豐富的設(shè)備監(jiān)控接口和優(yōu)異的軟件體系結(jié)構(gòu)，豐富的接口可以滿足眾多工程的需要，可以應(yīng)用到多個(gè)工程場景，避免對硬件進(jìn)行重新開發(fā)。軟件方面進(jìn)行分層處理，可以根據(jù)需要很方便的進(jìn)行代碼移植和裁剪，提高軟件開發(fā)效率。