摘 要： 為了解決檢測設備接入Ethernet，設計了一種基于SmartFusion2的SoC的數據采集與交互系統，完成設備數據信息的采集及處理并實現遠程數據交互與共享。系統以SmartFusion2的FPGA器件為核心，將現場檢測設備得到的數據經過Ethernet以網頁的形式在PC上顯示。反之，以同樣的路徑將主控的指令傳輸到外部的終端設備。通過一智能家居系統的實際運行測試，系統具有安全、可靠、穩(wěn)定的特點。

關鍵詞： SmartFusion2； 片上系統； Ethernet接入； 數據采集與交互

中圖分類號： TN911?34； TP361.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0127?04

0 引 言

Internet的快速發(fā)展和成功促進了以太網（Ethernet）技術的發(fā)展和應用的擴展，所涉及的領域十分廣泛，如傳統的工業(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。大多數的數據采集設備的通信接口符合UART通信標準。這種通信方式的數據傳輸半徑十分有限，并不能滿足遠距離傳輸的需求，并且不能接入Internet。因此數據的交互接入Internet就顯得非常重要了。

1 系統的總體方案及各主要模塊設計

系統以Microsemi（Actel）公司的基于FLASH架構的SoC FPGA產品SmartFusion2器件為核心[1]。系統通過Fabric架構實現多路UART對外相應數據進行采集，進行并/串轉換寫入Fabric的雙端口RAM。SmartFusion2的ARM Cortex?M3子系統經過AHB/APB總線矩陣以AHB/APB方式訪問Fabric的RAM，將得到的數據經過Ethernet以網頁的形式在PC上顯示。反之，以同樣的路徑將主控的指令傳輸到外部的終端設備。PC機端以網頁形式實現數據交互。網頁存放于SmartFusion2內部FLASH，內核Cortex?M3基于實時操作系統（FreeRTOS）管理任務，IP采用靜態(tài)方式，內核Cortex?M3與Fabric采用AHB方式通信[2?3]。系統設計結構框圖如圖1所示。

系統硬件的設計可分為三個主要模塊，分別為PHY物理層模塊，SoC的Cortex?M3內核及FPGA系統，UART模塊的數據采集系統。

1.1 PHY模塊

PHY即物理層（Physical Layer）。物理層協議可定義電氣信號標準、連線的狀態(tài)、時鐘信號的要求、數據編碼的格式和數據傳輸所用的連接器等。物理層通過一個定義好的接口與數據鏈路層進行通信。比如MAC 可以利用標準的介質無關性接口（ MII接口）與PHY進行數據交換通信。PHY還有個重要的功能就是實現以太網的CSMA/CD部分功能，這是硬件上實現的。它可以檢測到網絡鏈路上是否有數據正在傳送，如果有數據在傳送中則進行等待，當檢測到網絡空閑，就再等待一定的時間（不同的PHY會有不同）后對數據進行傳送。倘若兩塊網卡碰巧是同時發(fā)送數據，這將造成沖突，這時PHY內部的沖突檢測結構可以檢測到沖突的發(fā)生，然后兩邊各自等待一定的時間進行重發(fā)數據。

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PHY KSZ8051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。

1.2 SoC中的Cortex?M3模塊

系統使用Cortex?M3中的MAC模塊，如圖3所示。通過AHB控制Ethernet MAC模塊，對于MAC的配置是使用其內部的寄存器，可以配置不同的接口模式，不同的速度。本系統配置為MII接口，100 Mb/s速度。

MAC（Media Access Control，媒體訪問控制子層協議），主要負責控制和連接物理層。在發(fā)送數據的時候，MAC協議可以事先判斷現在是否可以發(fā)送數據，如果可以發(fā)送則將給數據加上一些控制信息，最終將數據及附帶的控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送到物理層；在接收數據的時候，MAC協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MAC協議由IEEE 802.3以太網標準定義。

PHY與MAC的接口方式有多種，如：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MAC芯片對應的功能和接口的標準來決定。

采用FreeRTOS實時操作系統管理整個系統的運行。FreeRTOS使用Cortex?M3內核的定時器以10 ms時間片進行任務的調度和切換。創(chuàng)建WebServer進程和網頁進行通信，網頁編輯語言HTML是不需要編譯的，因此將需要顯示的數據全部發(fā)送給網頁。這些數據存儲在FLASH中，目前測試是存儲在片內FLASH，網頁發(fā)來的控制數據進行實時的處理。網頁的數據需要用LwIP協議棧進行打包，LwIP協議棧是把所有的協議封裝到一個單一的過程（進程）中，從而與操作系統內核分開。應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棧和應用程序之間的通信可以通過函數調用實現，也可以通過更為抽象的API[4?5]。本設計的應用層使用常用的IPv4協議，DHCP和靜態(tài)IP都進行測試，傳輸層和網絡層使用TCP/IP。打包之后的需要介質層MAC進行處理，此MAC為Cortex?M3內核自帶的，支持多種MAC接口，本設計采用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100 Mb/s傳輸速度，設計時采用100 Mb/s傳輸。

網頁的數據需要實時更新，設計網頁每隔500 ms發(fā)一次更新的命令，Cortex? M3再將更新的數據發(fā)送給網頁。而這些數據來自APB3上，Cortex?M3通過FIC_0和APB3進行雙向通信，從而發(fā)送和接收數據。FPGA 中Fabric和APB3進行雙向通信，數據存儲在雙端口SRAM中，多路UART和SRAM進行雙向通信。SRAM在系統起緩存的作用，用來解決兩端讀寫速度的不同。而對于UART的數據也定義了協議，這些協議是區(qū)分數據的格式和內容。對于UART的個數可以進行增加，系統UART的同步使用FPGA硬件實現，不受個數的限制。

1.3 FPGA的UART模塊

本系統的主要功能是UART數據的采集與交互，使用網頁進行人機交換，實現數據的實時更新和控制，并且把采樣點的采樣時間也傳輸過去，使用戶知道數據的具體時間，便于以后的查看。

在本設計中需要在SmartFusion2片內的FPGA部分設計多路串口數據采集與存儲的控制器，實現對終端的多路串口數據進行采集。使用的多路串口數據采集方法是在SmartFusion2片內的FPGA中設計一個UART控制器去采集多路數據[6]?？刂破鞑⒉煌瓿纱D并控制，而是實時監(jiān)測多路串口數據狀態(tài)，并將多路串行數據實時切換送入RAM控制器，串行的數據經過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，任何時候到來數據的時候，UART控制器都能感知這次串行數據，并開通相應的信道，將某一路的串口數據送到RAM控制器。然后RAM控制器將該信道的串行數據寫入RAM中。這樣就可以完成對多路串口數據的采集工作。

在該方案中，需要在SmartFusion2片上的FPGA內設計一個UART控制器作為查詢機制中的主機，各個終端串口作為從機，提供串口數據。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，如果該從機有數據需要發(fā)送，則該從機立刻將串行的數據發(fā)出。如果從機沒有數據需要發(fā)送，則從機對該選擇信號SEL不做任何反應，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據的采集工作。

2 系統軟件設計

本設計采用FreeRTOS操作系統，通過創(chuàng)建WebServer進程實現數據的交互。在初始化完成后，執(zhí)行WebServer進程，WebServer進程發(fā)送網頁的數據、更新網頁的數據、得到采集的數據。而關于以太網的協議則使用LwIP協議棧實現。對于硬件層則使用Cortex?M3內部的MAC和外部的PHY進行傳輸。實現物理層的傳輸[7]。因此本設計的思路是發(fā)送接收數據給網頁和接收發(fā)送APB3上對應的地址的數據。將UART的數據格式和網頁HTTP數據格式互換。

軟件設計框圖如圖5所示，WebServer進程和網頁進行通信，通信的協議采用LwIP協議，對于LwIP協議使用其中的IPv4應用層，使用TCP/IP傳輸，DHCP動態(tài)獲取IP，數據鏈路層使用內部的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]。

圖5 軟件設計框圖

采用自動連接的方式與以太網相連，對于HTTP數據采用監(jiān)聽的方式，有HTTP數據則執(zhí)行相應的操作。在網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，能夠達到顯示數據的采樣時間，方便用戶查看和保存帶有時間的數據。

以太網的初始化首先是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議的選擇，本系統選擇TCP/IP協議，通過tcpip_input調用初始化網絡的配置。對于網絡的配置，首先是MAC地址、IP地址、網關、子網掩碼的配置（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，DHCP使用dhcp_star函數來開始。

WebServer是系統的主任務，負責網頁和APB3上數據的交互。首先是使用netconn_bind函數新建一個80端口（HTTP）的網絡，建立好后就一直處于監(jiān)聽狀態(tài)的netconn_listen函數。

有網絡連接時則發(fā)送相應的數據。如果有網頁打開數據的請求，則開始發(fā)送網頁的數據頭和主界面的數據，同時將網頁的運行的程序也發(fā)送過去，這樣內核就可以方便和網頁進行通信。

對于網頁的刷新和數據請求命令都是已經發(fā)送給網頁了，如果有網頁的刷新請求則將更新的檢測數據和日期時間數據發(fā)送給網頁。有點擊控制命令，處理器則馬上響應，將控制命令轉換并發(fā)送給APB3，也就發(fā)送給了UART。當然，這里面所有的數據都是加了相應的通信協議。

如發(fā)送數據給網頁時則需要使用netconn_write函數，首先是網頁數據頭，然后是相應的數據。如果無網絡連接、無網頁請求、請求完成等都是使用netconn_close函數關閉網絡，使用netbuf_delete函數刪除網絡，然后又去監(jiān)聽是否有新的網絡存在并連接。

以智能家居數據采集與交互為例，系統軟件設置流程圖如圖6所示，首先是時鐘和外設的初始化，再是以太網相關的初始化，包括MAC和PHY的初始化，IP的獲取方式，設置MAC地址、IP地址、子網掩碼、網關，設置傳輸的協議等。硬件層、傳輸層設置以后就是應用層，創(chuàng)建WebServer應用程序。此應用程序也是主應用程序，在FreeRTOS中的優(yōu)先級是最高的，堆棧大小也是最大的。WebServer任務就是與網頁通信，實現網頁的刷新。任務的調度和切換時通過定時器實現，10 ms為一個時間片，調度函數為vTaskStartScheduler函數實現。

圖6 軟件設計流程圖

3 結 語

本文利用源代碼開放的TCP/IP協議棧LwIP和簡單實用的操作系統FreeRTOS軟件平臺和SmartFusion2的硬件平臺構建了基于SoC的數據采集與交互系統，完成設備數據信息的采集及處理并實現遠程數據交流與共享。通過實際運行測試，系統性能穩(wěn)定可靠，具有一定推廣使用價值。

參考文獻

[1] Microsemi. SmartFusion2 system?on?chip FPGAs datasheet [EB/OL]. [2012?02?15]. http：//www.microsemi.com/products/fpga?soc/soc?fpga/smartfusion2.

[2] 周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3] 謝希仁.計算機網絡[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4] DUNKELS Adam. Design and implementation of the LwIP TCP/IP stack [EB/OL]. [2001?09?23]. http：//www.sics.se/～adam/lwip/links.

[5] BARRY Richard. Using the FreeRTOS real time kernel?A practical guide [EB/OL]. [2009?11?12]. http：//ishare.iask.sina.com.cn/download/explain.

[6] 聶濤，許世宏.基于FPGA的UART設計[J].現代電子技術，2006，29（2）：127?129.

[7] 周華茂，程小輝，龔幼民.以太網MAC層IP軟核設計方法研究[J].半導體技術，2007（8）：692?696.

[8] 孔棟，鄭建宏.嵌入式TCP/IP協議棧LWIP在ARM平臺上的移植與應用[J].通信技術，2008（6）：16?17.