基于FPGA的片上系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)

　　2 總量計數(shù)IP核

如圖2所示，α或γ探測器獲得的信號經由兩級放大器串接組成的線性脈沖放大器放大后送至以LM393為核心的甄別電路進行比較，濾掉噪聲，輸出矩形的脈沖信號。對于這個信號的處理，以MCU(微控制器)為核心的傳統(tǒng)核探測儀只能通過MCU上已有的硬件資源(如定時器)結合軟件來實現(xiàn)。

這種方法受制于硬件資源和MCU的速度，難以對多通道信號源進行并行處理。本系統(tǒng)中，總量計數(shù)IP核即是針對此問題而專門設計的硬件，使用VHDL語言設計實現(xiàn)，其內部接口符合Avalon片內總線從設備接口規(guī)范，可以方便地掛接在Avalon總線上，作為NiosII軟核cPu的一個專用外設。

總量計數(shù)IP核是網(wǎng)絡平臺FPGA中子板接口的一部分，其結構如圖3所示。α輻射總量測量與γ輻射總量測量原理類似，下面以α測量為例介紹其工作原理。時鐘源模塊通過對主時鐘分頻產生一個O．1秒的脈沖信號，作為定時器計時的基準源。定時器則按照命令寄存器傳過來的采集時間產生所需的定時信息。

根據(jù)定時器的定時信息和命令寄存器的命令，控制計數(shù)器對α測量模塊傳過來的脈沖信號進行計數(shù)，從而獲得輻射總量的計數(shù)值，該計數(shù)值被存進FIFO中；而在另一側，NiosIICPU通過Avalon總線向IP核的命令寄存器寫入相應的命令字實現(xiàn)對各通道的控制，例如啟動總量計數(shù)、關閉總量計數(shù)、設置采集時間及清空FIFO等。

值得注意的是，來自甄別電路的α或γ計數(shù)脈沖是與本IP核工作時鐘異步的信號，而計數(shù)器的值最終是需要存人。FIF0的，因此對α或γ計數(shù)脈沖都以主時鐘進行二次鎖存并整形，使每個異步計數(shù)脈沖產生一個只持續(xù)一個主時鐘周期的同步脈沖。以該脈沖進行計數(shù)，不僅解決了異步信號同步的問題，而且有效地濾除了干擾脈沖，使計敦值準確。

　　3 系統(tǒng)的軟件結構

為了實現(xiàn)利用Intemet進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)在NiosII上移植了MicroC／OS2實時操作系統(tǒng)和LWIP(輕量級IP協(xié)議棧)進而在其上開發(fā)信息采集軟件。

　　3．1 MicroC／OS2及LWIP的移植

此部分工作主要是針對本系統(tǒng)的特定硬件進行移植并編寫如溫濕度傳感器SHT75、總量計數(shù)IP核等所需的各種驅動，因此深入了解軟件的各層結構和細節(jié)是移植成功的關鍵。

HAL即硬件抽象層，是NiosII開發(fā)套件的一部分，由ALTERA公司提供，它封裝了系統(tǒng)中硬件操作的相關細節(jié)，驅動程序也作為它的一部分。HAL共抽象了六種器件模型，包括字符模式器件、定時器件、文件子系統(tǒng)、以太網(wǎng)器件、DMA器件和Flash器件，并為每一類器件提供一系列的統(tǒng)一的初始化函數(shù)和訪問函數(shù)接口，通過這種方式，HAL向上一層提供了一個類POSIX的API接口，即硬件抽象層應用編程界面。

針對NiosII的軟件開發(fā)，其實是建立在HAL之上，而非直接面向NiosII硬件本身。本系統(tǒng)測量模塊所對應的各個接口IP核均屬于字符模式器件，因此驅動程序需按HAL中字符模式器件模型來進行編寫。

MicroC／OS2是一個適合于小型、微控制器的可剝奪實時操作系統(tǒng)。它支持56個用戶任務，其內核為占先式，支持信號量、郵箱、消息隊列等多種常用的進程間通信機制，通過它為應用程序提供所需的多任務環(huán)境。由于MicroC／OS2自身并沒帶有協(xié)議棧，因此需要移植一個TCP／IP協(xié)議棧LWIP，從而向上層提供了一個類似UNIX套接字的接口。LWIP支持以下一些網(wǎng)絡協(xié)議：IP、ARP、ICMF、UDP、TCP。該協(xié)議棧需要20KB的代碼存儲空間及4KB的數(shù)據(jù)存儲空問，同時在構建系統(tǒng)時還需要添加一個專供其使用的定時器。

圖4為分析得到的系統(tǒng)軟件的啟動流程。在該流程圖中，alt_sys_init()用于初始化系統(tǒng)中的設備，在這個過程中會調用設備驅動程序提供的初始化程序。Lwip_stack_init()用于初始化TCP／IP協(xié)議棧。而tcpip_init_done()是一個在協(xié)議棧初始化后被調用的函數(shù)，通信服務器的任務也在其中創(chuàng)建。有一點需要注意的是。所有基于LWIP的任務，都應該使用sys_thread_new()函數(shù)來創(chuàng)建，而不是直接使用OSTaskCreate()。最后，所有的初始化都準備好后，即調用OSStart()來啟動RTOS進行任務調度。

3．2 信息采集程序的設計

本模塊作為一個任務，運行于MicroC／OS2實時操作系統(tǒng)之上，完成對各個探測子系統(tǒng)基于策略或遠程指令的測量控制，獲取的信息被保存到指定的內存緩沖區(qū)，并根據(jù)要求將結果返回到遠程主機上。對于溫濕度測量，由于SHT75傳感器的濕度輸出呈一定的非線性，為了獲取準確數(shù)據(jù)，需要根據(jù)給定的公式對所獲得的數(shù)據(jù)進行修正，而溫度輸出則不需進行補償，將數(shù)字輸出轉換為實際溫度值即可，詳見SHT75數(shù)據(jù)手冊。對于總量計數(shù)的處理，本模塊只是簡單地將數(shù)據(jù)打包后交給通信服務器傳回遠程主機。

　　3．3 通信服務器

本任務通過sys_thread_new()函數(shù)創(chuàng)建，作為一個服務器監(jiān)聽約定的端口，等待遠程主機的連接，提取遠程主機的命令，通過消息隊列將所獲得的命令發(fā)送到信息采集任務；同時也根據(jù)要求將信息采集任務獲得的各種數(shù)據(jù)分類發(fā)回遠程主機。

LWP提供了標準的Berkeley套接字編程界面，這個界面提供了三種類型的套接字，在這里使用了流式套接字，這是一個面向連接的可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務，也就是說使用的是TCP協(xié)議。通常，服務器接收到并發(fā)服務請求，要激活一新進程來處理這個客戶請求，但出于系統(tǒng)資源和簡化設計的考慮，在這里服務器同一時刻只能接受一個連接請求，而這種簡化事實上也是可以滿足設計需要的。

本系統(tǒng)應用基于FPGA的片上系統(tǒng)技術和嵌入式系統(tǒng)技術實現(xiàn)了智能核儀器與互聯(lián)網(wǎng)的連接，同時也實現(xiàn)了硬件上的部分可重構，根據(jù)需要增加或刪除FPGA中的外設IP核即可實現(xiàn)系統(tǒng)在功能和性能上的改變。目前本系統(tǒng)已經在放射性樣品儲藏室中應用，其功能和性能均滿足實際環(huán)境的要求。由于本系統(tǒng)的網(wǎng)絡平臺被設計成一個相對獨立的子系統(tǒng)，因此只需開發(fā)特定的探測子系統(tǒng)即可應用于各種相應的需要遠程監(jiān)控的領域。