引言

Internet的快速發展和成功促進了以太網(Ethernet)技術的發展和應用的擴展，所涉及的領域十分廣泛，如傳統的工業控制、信息家電、智能家居、安全監控、樓宇自動化、醫療、環境監測等。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Smart Fusion2器件為核心。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采用靜態方式，內核Cortex-M3與Fabric采用AHB方式通信.系統設計結構框圖如圖1所示。

圖1 系統設計結構框圖

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、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生，然后兩邊各自等待一定的時間進行重發數據。

圖2 PHY電路連接圖

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PHYKSZ8051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。

圖3 Cortex-M3的MAC

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。在發送數據的時候，MAC協議可以事先判斷現在是否可以發送數據，如果可以發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定的格式發送到物理層;在接收數據的時候，MAC協議首先判斷輸入的信息是否發生傳輸錯誤，如果沒有錯誤，則去掉控制信息發送至邏輯鏈路層(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100Mb/s傳輸速度，設計時采用100Mb/s傳輸。

網頁的數據需要實時更新，設計網頁每隔500 ms發一次更新的命令，Cortex- M3再將更新的數據發送給網頁。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].控制器并不完成串轉并控制，而是實時監測多路串口數據狀態，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。

圖4 串口復用數據采集

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送，則該從機立刻將串行的數據發出。如果從機沒有數據需要發送，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，通過創建WebServer進程實現數據的交互。在初始化完成后，執行WebServer進程，WebServer進程發送網頁的數據、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送接收數據給網頁和接收發送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數據采用監聽的方式，有HTTP數據則執行相應的操作。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，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IP和DHCP兩種模式。靜態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聽狀態的netconn_listen函數。

有網絡連接時則發送相應的數據。如果有網頁打開數據的請求，則開始發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送給APB3，也就發送給了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，然后又去監聽是否有新的網絡存在并連接。

圖6 軟件設計流程圖

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，創建WebServer應用程序。此應用程序也是主應用程序，在FreeRTOS中的優先級是最高的，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。

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，系統性能穩定可靠，具有一定推廣使用價值。

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