嵌入式工業以太網控制器的設計和應用

　　工控摘要：隨著工業以太網在生產的中應用越來越廣，嵌入式的工業以太網系統已經得到了廣泛應用。
　　
　　隨著工業以太網的大規模應用，嵌入式的工業以太網系統也越來越多地滲入到了工控領域，以ColdFire微處理器和ARM處理器為硬件平臺的嵌入式工業以太網系統已經得到了廣泛應用。
　　
　　但是，由于上述這些系統的開發平臺并不*針對工業以太網的應用情況，因此在實際應用中經常出現硬件資源浪費或者資源不夠的問題，開發系統往往需要外接PLD芯片來進行外圍器件的邏輯控制，存在接口速率的瓶頸問題。基于SOPC技術的NIOS處理器能解決這個難題。
　　
　　硬件設計
　　
　　控制器的硬件設計在SOPCBuilder和QuartusII中完成。利用它們可以靈活定制NIOSCPU的各個特性甚至指令，可以使用Altera提供的大量IP來加快開發NIOS外設的速度，提高外設的性能，還可以使用第三方IP，或VHDL、Verilog來定制外設。
　　
　　嵌入式工業以太網控制器的硬件分為三個部分：FPGA部分、存儲器部分和外圍元件部分，如圖1所示。本文選用的FPGA是CYCLONEEP1C6。
　　
　　在SOPCBuilder中需要設計的是FPGA部分，要建的NIOS系統包含的元件模塊有：一個NIOSCPU核，用于連接NIOS核的Avalon總線控制器，一個存放啟動和調試程序的內部存儲器BootROM，一個UART串行通信電路模塊（RS232核），一個內部定時器和一些通用I/O外圍接口模塊。為使NIOS系統正常工作，在FPGA外圍必須接有一個RS232通信口、RJ45、幾個發光管和數碼管以及16M的SRAM和4M的FlashROM。
　　
　　軟件設計
　　
　　由于在硬件開發中的NIOSCPU及其外設構成的系統是自定制的，存儲器、外設地址的映射等都各不相同，因此需要專有的SDK（軟件開發包）。在完成NIOS的硬件開發后，SOPCBuilder能夠自動生成SDK。
　　
　　軟件部分的開發幾乎與通常的嵌入式系統的開發沒有區別，*的不同只在于：這里的嵌入式系統是自己定制的、裁剪過的，受到硬件的局限小一些。
　　
　　Clinux。考慮到性價比以及現場控制需要，控制器的操作系統采用了
　　
　　整個嵌入式工業以太網控制器具有以下特點：
　　
　　1）很高的靈活性。由于微處理器采用NIOS，使得系統資源能夠靈活調配，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，適應工業以太網實時數據的要求。
　　
　　2）Clinux裁減后體積非常小，且具備以太網功能，這樣可以很容易實現控制器的微型化、網絡化;?很高的集成度。由于NIOS具有豐富的接口資源，而
　　
　　3）很高的實時性。本控制器在硬件和軟件設計時都充分考慮了系統的實時性。硬件設計中采用了高速A/D（500kHz）和多路D/A輸出，使得關鍵信號能及時采樣和輸出，保證了“硬實時”;操作系統中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實時”。
　　
　　實際應用
　　
　　針對某企業生產現場需要，該控制器被應用到基于以太網的控制系統中。針對現場對網絡可靠性參數的嚴格要求，采用環形網絡拓撲可以增加網絡的可靠性。
　　
　　解決網絡的實時性問題時采用了控制區域（ControlDomain）的概念，將控制現場分區，減少各個控制區資源競爭的情況。控制區域之間通過交換式以太網交換機來通信。每個控制區域包含以太網交換機和嵌入式的工業以太網控制器，以及一些變送器和執行機構，如圖2所示。該系統具有如下特點：
　　
　　1）靈活性。SOPC技術使系統硬件、軟件的設計和調試都十分方便。
　　
　　2）可靠性。控制系統的網絡拓撲采用環形架構，大大增強了骨干網的可靠性。在控制網絡層，通過劃分控制區域，分散了控制風險;而在控制區域內部采用嵌入式的工業以太網控制器，集中控制整個控制區域，降低了控制成本。實踐證明這種分散結合集中的控制結構是十分有效的。
　　
　　3）實時性。通過劃分控制區域，各個控制區域通過交換機連入骨干網，而每個控制區域內的變送和執行結構的信息都不會占用骨干網網絡資源。這樣，每個控制區域的網絡負載可以降到很低的程度（<5%），提高了網絡的實時性。嵌入式工業以太網控制器的硬件和軟件設計均考慮了實時性要求，在網絡層下進一步提升了系統的實時性。
　　
　　結語
　　
　　本文對嵌入式工業以太網控制器進行了開發研究，提出用SOPC技術來解決控制器硬件設計中存在的接口速率瓶頸問題，提高了控制器的實時性，實驗結果表明該系統運行穩定可靠。