采用FPGA的片上系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)介紹

如圖2所示，α或γ探測器獲得的信號經(jīng)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(jìn)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(jié)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(jìn)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(shè)計的硬件，使用VHDL語言設(shè)計實現(xiàn)，其內(nèi)部接口符合Avalon片內(nèi)總線從設(shè)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(shè)。

總量計數(shù)IP核是網(wǎng)絡(luò)平臺FPGA中子板接口的一部分，其結(jié)構(gòu)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(chǎn)生一個O．1秒的脈沖信號，作為定時器計時的基準(zhǔn)源。定時器則按照命令寄存器傳過來的采集時間產(chǎn)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(jìn)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(jìn)FIFO中；而在另一側(cè)，NiosIICPU通過Avalon總線向IP核的命令寄存器寫入相應(yīng)的命令字實現(xiàn)對各通道的控制，例如啟動總量計數(shù)、關(guān)閉總量計數(shù)、設(shè)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(jìn)行二次鎖存并整形，使每個異步計數(shù)脈沖產(chǎn)生一個只持續(xù)一個主時鐘周期的同步脈沖。以該脈沖進(jìn)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(zhǔn)確。

　　3 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)利用Intemet進(jìn)行遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(qū)動，因此深入了解軟件的各層結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)是移植成功的關(guān)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(guān)細(xì)節(jié)，驅(qū)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(yīng)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(yīng)的各個接口IP核均屬于字符模式器件，因此驅(qū)動程序需按HAL中字符模式器件模型來進(jìn)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(wù)，其內(nèi)核為占先式，支持信號量、郵箱、消息隊列等多種常用的進(jìn)程間通信機制，通過它為應(yīng)用程序提供所需的多任務(wù)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(luò)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(gòu)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(shè)備，在這個過程中會調(diào)用設(shè)備驅(qū)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(diào)用的函數(shù)，通信服務(wù)器的任務(wù)也在其中創(chuàng)建。有一點需要注意的是。所有基于LWIP的任務(wù)，都應(yīng)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(zhǔn)備好后，即調(diào)用OSStart()來啟動RTOS進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

3．2 信息采集程序的設(shè)計

本模塊作為一個任務(wù)，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(yuǎn)程指令的測量控制，獲取的信息被保存到指定的內(nèi)存緩沖區(qū)，并根據(jù)要求將結(jié)果返回到遠(yuǎn)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(zhǔn)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(jìn)行修正，而溫度輸出則不需進(jìn)行補償，將數(shù)字輸出轉(zhuǎn)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(wù)器傳回遠(yuǎn)程主機。

　　3．3 通信服務(wù)器

本任務(wù)通過sys_thread_new()函數(shù)創(chuàng)建，作為一個服務(wù)器監(jiān)聽約定的端口，等待遠(yuǎn)程主機的連接，提取遠(yuǎn)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(wù)；同時也根據(jù)要求將信息采集任務(wù)獲得的各種數(shù)據(jù)分類發(fā)回遠(yuǎn)程主機。

LWP提供了標(biāo)準(zhǔn)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(wù)，也就是說使用的是TCP協(xié)議。通常，服務(wù)器接收到并發(fā)服務(wù)請求，要激活一新進(jìn)程來處理這個客戶請求，但出于系統(tǒng)資源和簡化設(shè)計的考慮，在這里服務(wù)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(shè)計需要的。

本系統(tǒng)應(yīng)用基于FPGA的片上系統(tǒng)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)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(gòu)，根據(jù)需要增加或刪除FPGA中的外設(shè)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(jīng)在放射性樣品儲藏室中應(yīng)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(luò)平臺被設(shè)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(yīng)用于各種相應(yīng)的需要遠(yuǎn)程監(jiān)控的領(lǐng)域。