把網(wǎng)絡(luò)引進(jìn)嵌入式控制系統(tǒng)----微型單板計(jì)算機(jī)加軟件可顯著減少聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性

OEM廠(chǎng)商把強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能引進(jìn)到嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中。現(xiàn)在，自動(dòng)裝配線(xiàn)的監(jiān)控人員可以坐在臺(tái)式計(jì)算機(jī)前面，通過(guò)Web瀏覽器，監(jiān)控和調(diào)整總裝線(xiàn)上的每一個(gè)設(shè)備部件；醫(yī)生則可以通過(guò)Web瀏覽器把一系列上網(wǎng)診斷設(shè)備的數(shù)據(jù)調(diào)集在一起，進(jìn)行綜合分析。

許多OEM廠(chǎng)家對(duì)產(chǎn)品上網(wǎng)有些顧慮，怕拖延產(chǎn)品上市時(shí)間、怕需要一筆可觀的起動(dòng)資金、怕會(huì)有長(zhǎng)遠(yuǎn)的維修費(fèi)用。Bright Start Engineering公司率先實(shí)現(xiàn)了一項(xiàng)既簡(jiǎn)單、價(jià)格又不貴的上網(wǎng)技術(shù)。這就是集軟硬件和必要的開(kāi)發(fā)環(huán)境于一身的垂直式網(wǎng)絡(luò)引擎，我們叫ipEngine。

對(duì)于多種控制應(yīng)用系統(tǒng)，ipEngine可以作為控制器使用。ipEngine用FPGA構(gòu)成虛擬接口，可動(dòng)態(tài)地配置內(nèi)部功能和外部接口，以適應(yīng)各種用戶(hù)的應(yīng)用需要。圖1給出了ipEngine在生產(chǎn)廠(chǎng)中的應(yīng)用示例。作為混合罐的控制器，ipEngine以M型模塊方式裝在混合罐主接口電子線(xiàn)路板上。它和傳感器相連以測(cè)量溫度、壓力，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連以控制轉(zhuǎn)動(dòng)部分的工作和速度。ipEngine板上的軟件完成閉環(huán)控制所需的任一功能，板上嵌入的Web服務(wù)器支持在intranet或Intenet網(wǎng)上的任意地方，都可通過(guò)瀏覽器對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。為防止對(duì)設(shè)備進(jìn)行非授權(quán)的訪(fǎng)問(wèn)，Web網(wǎng)頁(yè)設(shè)有口令字，保證Web網(wǎng)服務(wù)的安全。

IpEngine還可提供對(duì)原有的控制系統(tǒng)提供上網(wǎng)能力。譬如，對(duì)于圖1中的焊接機(jī)器人，ipEngine安裝在原有的控制系統(tǒng)內(nèi)。有的控制系統(tǒng)多數(shù)都有標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)接口。將ipEngine上的FPGA配置成對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)協(xié)議，如PC機(jī)的ISA、PCMCIA或VME總線(xiàn)等。ipEngine可經(jīng)總線(xiàn)與已有控制系統(tǒng)相連，雖然軟件的閉環(huán)控制部分用不著，但是它卻擔(dān)當(dāng)起焊接機(jī)器人已存在的接口協(xié)議與Internet網(wǎng)之間的網(wǎng)關(guān)作用。

與ipEngine硬件相配套的有兩種預(yù)集成的、不需付版權(quán)費(fèi)的操作系統(tǒng)。一個(gè)是實(shí)時(shí)的基于POSIX的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)；一個(gè)是Linux嵌入版本。兩個(gè)操作系統(tǒng)都支持完備的TCP/IP連網(wǎng)和Web服務(wù)器。

結(jié)構(gòu)

圖2是ipEngine的硬件結(jié)構(gòu)圖。微處理器是Motorola生產(chǎn)的 嵌入式MPC823型PowerPC。之所以選MPC823是因?yàn)樗胸S富的外圍接口，包括Ethernet、USB、和I2C，還有兩個(gè)串行口和一個(gè)LCD控制器。MPC823有適合于電池供電片上的許多低功耗工作模式。ipEngine板上有16MB DRAM，2MB FLASH（快閃）存儲(chǔ)器，使應(yīng)用軟件足以從網(wǎng)上下載，或存于FLASH。板上有專(zhuān)門(mén)的開(kāi)關(guān)電源，除自用外還可以向用戶(hù)的電子電路供電。開(kāi)關(guān)電源的輸入為5~18V的單一直流電源。

虛擬接口

ipEngine板上采用由FPGA構(gòu)成的介于MPC823和用戶(hù)電子電路之間的虛擬接口。FPGA選用Altera公司的EPF6016，具有1300個(gè)用戶(hù)可配置的觸發(fā)器。因?yàn)镕PGA的配置數(shù)據(jù)每次上電要重裝一次，或運(yùn)行中進(jìn)行配置，重裝約需10ms。虛擬接口的外引接插件有132引腳，其中82引腳接FPGA，其余接時(shí)鐘、電源和MPC823的外圍功能。另有128K×16位高速同步SRAM掛在FPGA上，作為虛擬接口的高速緩沖。FPGA中有專(zhuān)門(mén)為MPC823和FPGA訪(fǎng)問(wèn)SRAM時(shí)所需的仲裁電路。SRAM也用做高速同步I/O與處理器內(nèi)核之間的緩沖，和存放輸出波形的查表數(shù)據(jù)。板上的鎖相環(huán)電路能合成任意頻率的時(shí)鐘信號(hào)，為PowerPC提供片上波特率信號(hào)源和FPGA所需的低時(shí)滯時(shí)鐘，還留有一路經(jīng)虛擬接口的插頭方便用戶(hù)的使用。

傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口

ipEngine提供的典型I/O接口有：串行I/O，并行總線(xiàn)及I/O，波形輸入/輸出。見(jiàn)圖3。

串行I/O 對(duì)于串行設(shè)備的同步 （如AD/DA變換器）使用內(nèi)部移位寄存器加上一些控制邏輯，因此，串行模擬變換器可由FPGA上8/16位寄存器的讀和寫(xiě)來(lái)操作。現(xiàn)在MPC823用的是查詢(xún)方式，將來(lái)可以用中斷或DMA方式。典型的同步串行口大約耗用20~30個(gè)觸發(fā)器。

并行I/O及總線(xiàn) 并行AD/DA變換器及分立的I/O設(shè)備的接口FPGA的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜的雙向存儲(chǔ)器接口和處理器總線(xiàn)式接口也由FPGA的內(nèi)部邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。

波形輸入

主要用于輸入波形的測(cè)量和比較，如脈沖的頻率、脈寬和多路脈沖的相位等。它們用輸入波形對(duì)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器進(jìn)行門(mén)控或鐘控來(lái)實(shí)現(xiàn)。

波形輸出

主要是PWM驅(qū)動(dòng)和控制步進(jìn)馬達(dá)等的輸出。它們用計(jì)數(shù)器、寄存器、比較器或方向控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。用更復(fù)雜的邏輯還可實(shí)現(xiàn)加速和制動(dòng)輸出。

虛擬接口的討論

以FPGA為基礎(chǔ)的虛擬接口能省去連接用戶(hù)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等的附加硬件，可節(jié)省開(kāi)發(fā)調(diào)試的時(shí)間。因?yàn)镕PGA的各種配置軟件可以事前開(kāi)發(fā)或更新，使用時(shí)可在現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。 但是虛擬接口的缺點(diǎn)是，雖然可向用戶(hù)硬件提供靈活的接口，但缺少工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)（即PC/104和VME），而不能為現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)I/O卡提供接口。現(xiàn)BSE公司完成了FPGA上的ISA總線(xiàn)接口，以及PC/104模板。雖然FPGA可以實(shí)現(xiàn)很多復(fù)雜的功能，但是用戶(hù)要花很多時(shí)間去開(kāi)發(fā)。為此，BSE公司打算提供上千種預(yù)先編輯好的fpgaWare庫(kù)，其中包括標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部外設(shè)和外部接口，fpgaWare庫(kù)可通過(guò)自動(dòng)處理向用戶(hù)提供。

操作系統(tǒng)

BSE公司首選的是自己的pKernel實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，pKernel提供POSIX操作，以及上網(wǎng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)環(huán)境。它集成了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和Apache Web server嵌入式版本。第二個(gè)選用的操作系統(tǒng)是Linux嵌入式版本。ipEngine上裝有Linux全部?jī)?nèi)核和網(wǎng)絡(luò)實(shí)用程序，但節(jié)省了幾百兆的硬盤(pán)，用起來(lái)還是方便的。除上述Linux內(nèi)核和實(shí)用程序外，ipEngine的板上閃存還裝有Apache Web server，Java虛擬機(jī)等，存儲(chǔ)空間最后還有剩余。

BSE能提供嵌入式Linux和pKernel環(huán)境下的開(kāi)發(fā)工具套件。還有開(kāi)發(fā)者立即可用的硬件和軟件，它們有：ipEngine板、電源、PowerPC成套交叉編譯工具、Linux或pKernel、機(jī)箱、文件和技術(shù)支持等。