引言

Internet 的快速發(fā)展和成功促進了以太網(wǎng)(Ethernet)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的擴展，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、樓宇自動化、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等。大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信接口符合 UART 通信標準。這種通信方式的數(shù)據(jù)傳輸半徑十分有限，并不能滿足遠距離傳輸?shù)男枨螅⑶也荒芙尤?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

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)實現(xiàn)多路 UART 對外相應(yīng)數(shù)據(jù)進行采集，進行并 / 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 機端以網(wǎng)頁形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)頁存放于 SmartFusion2 內(nèi)部 FLASH，內(nèi)核 Cortex-M3 基于實時操作系統(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)計結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

系統(tǒng)硬件的設(shè)計可分為三個主要模塊，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)議可定義電氣信號標準、連線的狀態(tài)、時鐘信號的要求、數(shù)據(jù)編碼的格式和數(shù)據(jù)傳輸所用的連接器等。物理層通過一個定義好的接口與數(shù)據(jù)鏈路層進行通信。比如 MAC 可以利用標準的介質(zhì)無關(guān)性接口( MII 接口)與 PHY 進行數(shù)據(jù)交換通信。PHY 還有個重要的功能就是實現(xiàn)以太網(wǎng)的 CSMA/CD 部分功能，這是硬件上實現(xiàn)的。它可以檢測到網(wǎng)絡(luò)鏈路上是否有數(shù)據(jù)正在傳送，如果有數(shù)據(jù)在傳送中則進行等待，當檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑，就再等待一定的時間(不同的 PHY 會有不同)后對數(shù)據(jù)進行傳送。倘若兩塊網(wǎng)卡碰巧是同時發(fā)送數(shù)據(jù)，這將造成沖突，這時 PHY 內(nèi)部的沖突檢測結(jié)構(gòu)可以檢測到?jīng)_突的發(fā)生，然后兩邊各自等待一定的時間進行重發(fā)數(shù)據(jù)。

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 個引腳連接，分別為 MDC 和 MDIO，MII 的時鐘由 PHYKSZ8051 提供，KSZ8051 的時鐘來自外部 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。

MAC(Media Access Control，媒體訪問控制子層協(xié)議)，主要負責控制和連接物理層。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，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)的時候，MAC 協(xié)議首先判斷輸入的信息是否發(fā)生傳輸錯誤，如果沒有錯誤，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)標準定義。
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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 都提供標準的 MII 接口，RMII 信號是對 PHY 內(nèi)部的 MII 的信號進行編碼和解碼，這就是說支持 MII 接口的 PHY 內(nèi)部都含有 RMII 信號，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 芯片對應(yīng)的功能和接口的標準來決定。
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采用 FreeRTOS 實時操作系統(tǒng)管理整個系統(tǒng)的運行。FreeRTOS 使用 Cortex-M3 內(nèi)核的定時器以 10 ms 時間片進行任務(wù)的調(diào)度和切換。創(chuàng)建 WebServer 進程和網(wǎng)頁進行通信，網(wǎng)頁編輯語言 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。這些數(shù)據(jù)存儲在 FLASH 中，目前測試是存儲在片內(nèi) FLASH，網(wǎng)頁發(fā)來的控制數(shù)據(jù)進行實時的處理。網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)需要用 LwIP 協(xié)議棧進行打包，LwIP 協(xié)議棧是把所有的協(xié)議封裝到一個單一的過程(進程)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)用實現(xiàn)，也可以通過更為抽象的 API[4-5]. 本設(shè)計的應(yīng)用層使用常用的 IPv4 協(xié)議，DHCP 和靜態(tài) IP 都進行測試，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)計時采用 100Mb/s 傳輸。
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網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)需要實時更新，設(shè)計網(wǎng)頁每隔 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。而這些數(shù)據(jù)來自 APB3 上，Cortex-M3 通過 FIC_0 和 APB3 進行雙向通信，從而發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。FPGA 中 Fabric 和 APB3 進行雙向通信，數(shù)據(jù)存儲在雙端口 SRAM 中，多路 UART 和 SRAM 進行雙向通信。SRAM 在系統(tǒng)起緩存的作用，用來解決兩端讀寫速度的不同。
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而對于 UART 的數(shù)據(jù)也定義了協(xié)議，這些協(xié)議是區(qū)分數(shù)據(jù)的格式和內(nèi)容。對于 UART 的個數(shù)可以進行增加，系統(tǒng) UART 的同步使用 FPGA 硬件實現(xiàn)，不受個數(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)頁進行人機交換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時更新和控制，并且把采樣點的采樣時間也傳輸過去，使用戶知道數(shù)據(jù)的具體時間，便于以后的查看。
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在本設(shè)計中需要在 SmartFusion2 片內(nèi)的 FPGA 部分設(shè)計多路串口數(shù)據(jù)采集與存儲的控制器，實現(xiàn)對終端的多路串口數(shù)據(jù)進行采集。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)計一個 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，而是實時監(jiān)測多路串口數(shù)據(jù)狀態(tài)，并將多路串行數(shù)據(jù)實時切換送入 RAM 控制器，串行的數(shù)據(jù)經(jīng)過 RAM 控制器串行的進入 RAM 中去。如圖 4 所示。

當多路串口中任何一路，任何時候到來數(shù)據(jù)的時候，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)計一個 UART 控制器作為查詢機制中的主機，各個終端串口作為從機，提供串口數(shù)據(jù)。主機會定時的在 SEL 總線上發(fā)出從機的片選信號，用于選通從機設(shè)備。當從機被選中之后，從機自己會做出判斷，如果該從機有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則該從機立刻將串行的數(shù)據(jù)發(fā)出。如果從機沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則從機對該選擇信號 SEL 不做任何反應(yīng)，定時時間到，主機會自動的去選通下一路從機，從機工作原理與之類似。這樣的做法同樣可以完成對多路串口數(shù)據(jù)的采集工作。
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2、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計采用 FreeRTOS 操作系統(tǒng)，通過創(chuàng)建 WebServer 進程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。在初始化完成后，執(zhí)行 WebServer 進程，WebServer 進程發(fā)送網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)、更新網(wǎng)頁的數(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)議棧實現(xiàn)。對于硬件層則使用 Cortex-M3 內(nèi)部的 MAC 和外部的 PHY 進行傳輸。實現(xiàn)物理層的傳輸[7]. 因此本設(shè)計的思路是發(fā)送接收數(shù)據(jù)給網(wǎng)頁和接收發(fā)送 APB3 上對應(yīng)的地址的數(shù)據(jù)。將 UART 的數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)頁 HTTP 數(shù)據(jù)格式互換。
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軟件設(shè)計框圖如圖 5 所示，WebServer 進程和網(wǎng)頁進行通信，通信的協(xié)議采用 LwIP 協(xié)議，對于 LwIP 協(xié)議使用其中的 IPv4 應(yīng)用層，使用 TCP/IP 傳輸，DHCP 動態(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 機通信[8].

采用自動連接的方式與以太網(wǎng)相連，對于 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)頁上顯示實時的日期和時間，這個日期和時間不是來自 PC 機的，而是來自 SmartFusion2 的，能夠達到顯示數(shù)據(jù)的采樣時間，方便用戶查看和保存帶有時間的數(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)來開始。
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WebServer 是系統(tǒng)的主任務(wù)，負責網(wǎng)頁和 APB3 上數(shù)據(jù)的交互。首先是使用 netconn_bind 函數(shù)新建一個 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)連接時則發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。如果有網(wǎng)頁打開數(shù)據(jù)的請求，則開始發(fā)送網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)頭和主界面的數(shù)據(jù)，同時將網(wǎng)頁的運行的程序也發(fā)送過去，這樣內(nèi)核就可以方便和網(wǎng)頁進行通信。
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對于網(wǎng)頁的刷新和數(shù)據(jù)請求命令都是已經(jīng)發(fā)送給網(wǎng)頁了，如果有網(wǎng)頁的刷新請求則將更新的檢測數(shù)據(jù)和日期時間數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)頁。有點擊控制命令，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)頁時則需要使用 netconn_write 函數(shù)，首先是網(wǎng)頁數(shù)據(jù)頭，然后是相應(yīng)的數(shù)據(jù)。如果無網(wǎng)絡(luò)連接、無網(wǎng)頁請求、請求完成等都是使用 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。

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)先級是最高的，堆棧大小也是最大的。WebServer 任務(wù)就是與網(wǎng)頁通信，實現(xiàn)網(wǎng)頁的刷新。任務(wù)的調(diào)度和切換時通過定時器實現(xiàn)，10 ms 為一個時間片，調(diào)度函數(shù)為 vTaskStartScheduler 函數(shù)實現(xiàn)。

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3、結(jié)語

本文利用源代碼開放的 TCP/IP 協(xié)議棧 LwIP 和簡單實用的操作系統(tǒng) FreeRTOS 軟件平臺和 SmartFusion2 的硬件平臺構(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現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交流與共享。通過實際運行測試，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，具有一定推廣使用價值。