基于以太網(wǎng)的控制器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式網(wǎng)關(guān)開發(fā)

　　本地控制器網(wǎng)絡(luò)(CAN)[2]由于低成本和高可靠性，已經(jīng)在工業(yè)分布式控制系統(tǒng)中廣泛使用。以太網(wǎng)的低成本和易配置特性也使得其在計算機通信網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用。本文介紹了基于以太網(wǎng)和控制器區(qū)域網(wǎng)總線通信系統(tǒng)的集成通信網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)開發(fā)的目的是在以太網(wǎng)和控制器區(qū)域網(wǎng)總線之間交換實時控制信息，以實現(xiàn)分布式控制和監(jiān)測。

　　1 硬件平臺設(shè)計

　　嵌入式處理器可編程邏輯電路設(shè)計方面最大的挑戰(zhàn)之一就是為適合速度要求非常廣泛的應(yīng)用。在低端,系統(tǒng)要求可能少于10MIPS;在高端，系統(tǒng)可能要求好幾百 MIPS。不同系統(tǒng)需要的范圍不同。完全滿足范圍需要的解決方案需要提供可編程設(shè)備配置、操作以及精通嵌入式處理器的用戶。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計建立在 Altera Excalibur[3]嵌入式處理器基礎(chǔ)上，它可以提供最佳的解決方案，擁有較優(yōu)的適應(yīng)性和強大的性能?；诤诵牟糠諷OPC[4]的ARM系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖 1所示?？刂破骶W(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　1.1 軟核CAN控制器設(shè)計

　　使用AMBA總線接口的Soft CAN控制器是為了進行控制器網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計開發(fā)的，它能在網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)平臺上運行。該Soft CAN控制器具備CAN 2.0B[1]規(guī)范的所有協(xié)議功能，包括錯誤處理能力、填充位產(chǎn)生、循環(huán)冗余碼校驗(CRC)、主動/被動錯誤幀和擴展幀技術(shù)支持。Soft CAN控制器也能支持如下應(yīng)用發(fā)展：信息過濾、信息封裝、信息發(fā)送緩沖、信息接收緩沖以及發(fā)送、接收和錯誤事件的中斷觸發(fā)。Soft CAN控制器提供AMBA兼容接口以實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸，也提供中斷支持實現(xiàn)系統(tǒng)快速響應(yīng)。

　　1.2 Soft CAN控制器模擬驗證

　　Soft CAN控制器模擬驗證平臺設(shè)計如圖3所示。

　　Soft CAN控制器的綜合模擬/驗證輸出波形(如圖4)說明了其控制器工作狀態(tài)正確。

　　從圖4所示的驗證輸出結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

　　(1)Soft CAN控制器#1狀態(tài)：

　　“00000000000000000000000000001000” -->Soft CAN控制器正在控制CAN數(shù)據(jù)線信號。

　　(2)Soft CAN 控制器#2狀態(tài)：

　　“00000000000000000000000000001000” --> Soft CAN控制器正在控制CAN數(shù)據(jù)線信號。

　　(3)Soft CAN 控制器#1 TX緩沖器：標識 -“11101101000”，數(shù)據(jù)-“10011001100110011001100110011001”。

　　(4)Soft CAN 控制器#1 TX緩沖器：標識- NA，數(shù)據(jù)-NA。

　　2 軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計包括實時操作系統(tǒng)[5]移植、異常處理支持、設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)和文件系統(tǒng)開發(fā)等。

　　2.1 實時操作系統(tǒng)移植

　　eCos被成功地移植到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件平臺，為應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)提供實時服務(wù)。由于eCos的分層結(jié)構(gòu)使得其移植靈活并容易，所有結(jié)構(gòu)和平臺的絕對代碼都在硬件抽象層(HAL)實現(xiàn)。

　　2.1.1 系統(tǒng)啟動模式

　　本系統(tǒng)移植提供四種啟動模式。

　　(1)ROM啟動模式。在ROM啟動模式中，應(yīng)用程序儲存在EPXA1開發(fā)板的閃存中，并從那里啟動。

　　(2)ROM-RAM啟動模式。在ROM-RAM啟動模式中，應(yīng)用程序存儲在閃存中。啟動程序?qū)⑾葟拈W存中運行，并且初始化系統(tǒng)。在系統(tǒng)初始化后，eCos應(yīng)用程序?qū)拈W存中自動復制到SDRAM中，接著在SDRAM中以更高的速度運行。

　　(3)RAM啟動模式。在RAM啟動模式中，eCos應(yīng)用程序會通過EPXA1板上的調(diào)試器(例如RedBoot加載到其板的SDRAM內(nèi)存中)啟動。這主要是為了調(diào)試。

　　2.1.2 線程管理

　　EPXA1 eCos移植完全支持多線程編程模式。除了任務(wù)同步支持外，它還提供了一系列可選擇的調(diào)度算法。

　　2.1.3 系統(tǒng)定時支持

　　系統(tǒng)的定時基準由Altera EPXA1平臺上的系統(tǒng)定時器提供，定時器頻率為150MHz。系統(tǒng)的脈沖周期為10毫秒。在EPXA1 上移植的eCos控制通過內(nèi)核使用的時鐘或計時設(shè)備進行暫停、延時和調(diào)度服務(wù)，供系統(tǒng)內(nèi)核使用。

　　2.2 異常處理

　　所有的異常，包括FIQ和IRQ中斷[7]，都跳轉(zhuǎn)到矢量0地址，每個中斷矢量占4字節(jié)。這里僅有一個指令空間，它須立即跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存中更高地址的代碼。中斷源必須進行解碼。由于每一個矢量服務(wù)例程都對應(yīng)一個不同的CPU模式的入口，所以需要對每一個異常有一個不同的VSR，它知道怎樣從中斷控制器完全正確地保存CPU狀態(tài)。這個異常處理機制包含一個分離的中斷處理方案。在這個方案中，中斷處理劃分為兩部分。第一部分稱之為中斷服務(wù)程序或ISR;第二部分是延遲服務(wù)程序或DSR。這種劃分明確地顧及 到了DSRs與正在執(zhí)行的中斷同時運行，因此允許當正在執(zhí)行低級別的中斷時其他內(nèi)在具有更高優(yōu)先級別的中斷發(fā)生及接受處理。

　　2.3 設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)

　　2.3.1 閃存設(shè)備驅(qū)動程序

　　本項目開發(fā)了基于Intel 28F320C閃存的驅(qū)動程序。Boot-loader用它來儲存映像、配置信息和閃存內(nèi)的數(shù)據(jù)。這個設(shè)備驅(qū)動程序提供廣泛的操作支持。

　　(1)閃存查詢：可從閃存中重新獲得廠商和零件號碼代碼。

　　(2)閃存區(qū)塊擦除：擦掉閃存中的模塊。

　　(3)閃存編程緩沖：允許在閃存中寫入一緩沖的數(shù)據(jù)。

　　(4)閃存區(qū)段上鎖/開啟:允許閃存中的內(nèi)容受到保護。

　　2.3.2 以太網(wǎng)接口設(shè)備驅(qū)動程序

　　以太網(wǎng)設(shè)備驅(qū)動程序支持以太網(wǎng)控制器SMC91C111，它可以提供雙重速度10/100Mbps的通信支持。以太網(wǎng)設(shè)備Lan91C111提供所有發(fā)送、接收與事件中斷等必要的功能，以支持與BSD TCP/IP 堆棧的集成實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

　　2.3.3 Soft CAN控制器設(shè)備驅(qū)動程序

　　此設(shè)備驅(qū)動程序提供了對控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通信的支持，以實現(xiàn)發(fā)送、接收及中斷處理功能。圖5為驅(qū)動程序流程圖。

　　2.4 嵌入式文件系統(tǒng)開發(fā)

　　為了使信息保存與交換更加高效，本項目開發(fā)了基于閃存和RAM的文件系統(tǒng)。該文件系統(tǒng)提供廣泛的文件操作支持：文件新建、文件刪除、文件復制、文件重命名和文件移動，還有目錄支持。文件系統(tǒng)可以交叉操作，文件可以在基于文件系統(tǒng)的閃存和RAM之間實現(xiàn)復制或移動。

　　2.5 調(diào)試支持

　　一般地，硬件模擬方法需要花費大量的資金。為了實現(xiàn)低成本設(shè)計，釆用了基于軟件的調(diào)試方法。這個基于軟件的EPXA1平臺調(diào)試工具已經(jīng)集成到該網(wǎng)關(guān)平臺中，在系統(tǒng)開發(fā)中提供調(diào)試功能。這個調(diào)試器可以使用串行端口或以太網(wǎng)信道實現(xiàn)與主機間的通信。這個軟件調(diào)試器提供一般的調(diào)試功能，諸如：單步運行、變量訪問、處理器寄存器恢復、資源等級調(diào)試和斷點支持。

　　3 系統(tǒng)集成

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)實時焊接控制系統(tǒng)應(yīng)用

　　此應(yīng)用提供了一個分布式的網(wǎng)絡(luò)解決方案，以監(jiān)控一個分布式的實時焊接控制網(wǎng)絡(luò)。用戶可以通過因特網(wǎng)監(jiān)控SMD[8]定位焊接控制網(wǎng)絡(luò)。SMD定位焊接系統(tǒng)如圖6所示。

　　該應(yīng)用系統(tǒng)基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的支持，為遠程計算機動態(tài)生成需要的網(wǎng)頁，即監(jiān)控和配置。

　　3.2 系統(tǒng)驗證以及結(jié)論

　　該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的實時性能可通過使用儀器運行相關(guān)任務(wù)進行評測。對該整套實驗操作所收集到的數(shù)據(jù)進行分析，得出平均值、最大值以及最小值;再計算出樣品方差;測量出獲得實時時鐘計時數(shù)值所需的時間，再減去其他時間。所得到的數(shù)據(jù)說明，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)可以滿足網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)計數(shù)需求的實時性能。

　　為了確保監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)頁不會丟失任何控制器區(qū)域網(wǎng)信息，已采取了如下結(jié)構(gòu)的接收計時測量方法：網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的控制器網(wǎng)絡(luò)通信速度為125Kbps，系統(tǒng)運行頻率為75MHz，控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標準限制了最小間幀間隔為3位節(jié)拍。因而一個滿荷的控制器網(wǎng)絡(luò)中，控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)信息幀之間的空閑時間可以用式(1)計算：

　　從eCos的實時特性所顯示的結(jié)果，可以得到中斷反應(yīng)時間為5.31微秒。所以可以從式(2)得到計時結(jié)果。

　　通過以上驗證得知，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)頁能夠監(jiān)控SMD定位焊接控制網(wǎng)絡(luò)，即使網(wǎng)絡(luò)總線滿荷時也不會丟失任何一個實時的監(jiān)控信息。