SOPC技術(shù)在嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用
加入技術(shù)交流群
控制器的操作系統(tǒng)考慮到性價比以及現(xiàn)場控制需要，采用了uClinux。uClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放代碼，其是專門為控制領(lǐng)域而裁減設(shè)計的嵌入式操作系統(tǒng)。
uClinux 從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性[5]。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。適用于沒有虛擬內(nèi)存或內(nèi)存管理單元（MMU）的處理器。它通常用于具有很少內(nèi)存或Flash的嵌入式系統(tǒng)。
在GNU通用公共許可證（GNU GPL）的保證下，運行uClinux操作系統(tǒng)的用戶可以使用幾乎所有的Linux API函數(shù)，不會因為沒有MMU而受到影響。由于uClinux在標(biāo)準(zhǔn)的Linux基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)牟眉艉蛢?yōu)化，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux，雖然它的體積很小，uClinux仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點:穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對各種文件系統(tǒng)的支持、以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的API等。在開發(fā)應(yīng)用程序之前，先將uClinux移植到NIOS處理器中來。
特別的為了應(yīng)用到工業(yè)實時領(lǐng)域，本文進(jìn)一步增強(qiáng)uClinux的實時性。
整個嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點:
控制器具有很高的靈活性。這是本文設(shè)計的以太網(wǎng)控制器的最大特點。由于微處理器采用Altera公司的NIOS，使得系統(tǒng)資源能夠靈活調(diào)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(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)實時數(shù)據(jù)的要求。
控制器具有很高的集成度。由于NIOS具有豐富的接口資源，而uClinux裁減后體積非常小，而且具備以太網(wǎng)功能，這樣可以很容易實現(xiàn)控制器的微型化、Internet化;
控制器具有很高的實時性。在設(shè)計硬件和軟件時都充分考慮了系統(tǒng)的實時性。硬件設(shè)計中采用了高速的A/D（500khz）和多路D/A輸出，使得關(guān)鍵信號能及時采樣和輸出，保證了“硬實時”;操作系統(tǒng)中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實時”。
5 實際應(yīng)用
針對某企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場需要，將該型控制器應(yīng)用到基于以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)中。針對現(xiàn)場對網(wǎng)絡(luò)可靠性參數(shù)的嚴(yán)格要求，在控制層網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)傳統(tǒng)以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
而解決網(wǎng)絡(luò)的實時性問題則采用了控制區(qū)域（Control Domain）概念，將控制現(xiàn)場分區(qū)，減少各個控制區(qū)資源競爭的情況。而控制區(qū)域之間的是通過交換式以太網(wǎng)交換機(jī)來通信。
每個控制區(qū)域（Control Domain）包含以太網(wǎng)交換機(jī)和嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器，以及一些變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖2所示。該系統(tǒng)具有如下特點:
圖2 設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
（1） 靈活性。由于控制器采用了NIOS微處理器，能夠靈活配置處理器的硬件資源，克服了接口數(shù)據(jù)傳輸速率的瓶頸，利用SOPC技術(shù)，系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計和調(diào)試都十分方便。
（2） 可靠性?？刂葡到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎铆h(huán)形架構(gòu)，大大增強(qiáng)了骨干網(wǎng)的可靠性。在控制網(wǎng)絡(luò)層，通過劃分控制區(qū)域，分散了控制風(fēng)險;而在控制區(qū)域內(nèi)部采用嵌入式的工業(yè)以太網(wǎng)控制器，集中控制整個控制區(qū)域，降低了控制成本。實踐證明這種分散結(jié)合集中的控制結(jié)構(gòu)是十分有效的。
（3） 實時性。通過劃分控制區(qū)域，各個控制區(qū)域通過交換機(jī)連入骨干網(wǎng)，而每個控制區(qū)域內(nèi)的變送和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的信息都不會占用骨干網(wǎng)絡(luò)資源。這樣，每個控制區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載可以降到很低的程度（5％）。提高了網(wǎng)絡(luò)的實時性。嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件和軟件設(shè)計均考慮了實時性要求，這樣在網(wǎng)絡(luò)層下進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的實時性。
6 結(jié)論
本文對嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器進(jìn)行了開發(fā)研究，提出用SOPC技術(shù)來解決控制器硬件設(shè)計中存在的接口速率瓶頸問題，提高了控制器的實時性，應(yīng)用實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
評論