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(jià)比以及現(xiàn)場(chǎng)控制需要，采用了uClinux。uClinux是一個(gè)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(jì)的嵌入式操作系統(tǒng)。
uClinux 從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來(lái)，沿襲了主流Linux的絕大部分特性[5]。它是專門針對(duì)沒(méi)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(méi)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(yùn)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(huì)因?yàn)闆](méi)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(gè)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(diǎn):穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備的對(duì)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(lái)。
特別的為了應(yīng)用到工業(yè)實(shí)時(shí)領(lǐng)域，本文進(jìn)一步增強(qiáng)uClinux的實(shí)時(shí)性。
整個(gè)嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器具有以下特點(diǎn):
控制器具有很高的靈活性。這是本文設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)控制器的最大特點(diǎn)。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(diǎn)，適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)控制器的微型化、Internet化;
控制器具有很高的實(shí)時(shí)性。在設(shè)計(jì)硬件和軟件時(shí)都充分考慮了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。硬件設(shè)計(jì)中采用了高速的A/D（500khz）和多路D/A輸出，使得關(guān)鍵信號(hào)能及時(shí)采樣和輸出，保證了“硬實(shí)時(shí)”;操作系統(tǒng)中加入了RTlinux模塊，保證了“軟實(shí)時(shí)”。
5 實(shí)際應(yīng)用
針對(duì)某企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(shí)時(shí)性問(wèn)題則采用了控制區(qū)域（Control Domain）概念，將控制現(xiàn)場(chǎng)分區(qū)，減少各個(gè)控制區(qū)資源競(jìng)爭(zhēng)的情況。而控制區(qū)域之間的是通過(guò)交換式以太網(wǎng)交換機(jī)來(lái)通信。
每個(gè)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(diǎn):
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(jì)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(guò)劃分控制區(qū)域，分散了控制風(fēng)險(xiǎn);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(gè)控制區(qū)域，降低了控制成本。實(shí)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(shí)時(shí)性。通過(guò)劃分控制區(qū)域，各個(gè)控制區(qū)域通過(guò)交換機(jī)連入骨干網(wǎng)，而每個(gè)控制區(qū)域內(nèi)的變送和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的信息都不會(huì)占用骨干網(wǎng)絡(luò)資源。這樣，每個(gè)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(shí)時(shí)性。嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)控制器的硬件和軟件設(shè)計(jì)均考慮了實(shí)時(shí)性要求，這樣在網(wǎng)絡(luò)層下進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
6 結(jié)論
本文對(duì)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(lái)解決控制器硬件設(shè)計(jì)中存在的接口速率瓶頸問(wèn)題，提高了控制器的實(shí)時(shí)性，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)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(píng)論