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        基于FLASH架構實現SoC數據采集與交互系統的設計與解決方案

        電子設計 ? 2020-02-04 08:07 ? 次閱讀

        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。

        基于FLASH架構實現SoC數據采集與交互系統的設計與解決方案

        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。

        基于FLASH架構實現SoC數據采集與交互系統的設計與解決方案

        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。

        基于FLASH架構實現SoC數據采集與交互系統的設計與解決方案

        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。

        基于FLASH架構實現SoC數據采集與交互系統的設計與解決方案

        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].

        基于FLASH架構實現SoC數據采集與交互系統的設計與解決方案

        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。

        基于FLASH架構實現SoC數據采集與交互系統的設計與解決方案

        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。

        責任編輯:gt

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        近年來,“無微不至”的移動互聯網讓人們足不出戶就能美容、訂餐、聘請家政人員等,“宅經濟”逐漸興起。而....
        發表于 02-27 08:48 ? 63次 閱讀
        疫情期間 家庭安防設備護衛安全非常重要

        指靜脈智能鎖的出現 將成為智能家居安防第一道防線

        根據 36 KR統計顯示,到2020 年我國智能家居市場的規模將會破2000 億元 。智能家居在家庭....
        發表于 02-27 08:43 ? 51次 閱讀
        指靜脈智能鎖的出現 將成為智能家居安防第一道防線

        紫光展銳虎賁T7520有何突出優勢

        2月26日的春季發布會上,紫光展銳拿出了重磅的當家明星產品,型號為虎賁T7520的旗下首款5G So....
        的頭像 工程師鄧生 發表于 02-27 08:37 ? 412次 閱讀
        紫光展銳虎賁T7520有何突出優勢

        如何實現低成本的智能家居聯網控制解決方案

        智能家居控制系統硬件方面,本系統以HG255D路由器為載體,通過基于路由器的嵌入式軟件開發,實現了一....
        發表于 02-27 08:00 ? 41次 閱讀
        如何實現低成本的智能家居聯網控制解決方案

        虎賁T7520正式推出 系紫光展銳旗下首款采用SoC單芯片設計的5G方案

        2月26日下午,紫光展銳舉辦新品發布會,正式推出旗下首款采用SoC單芯片設計的5G方案“虎賁T752....
        的頭像 工程師鄧生 發表于 02-26 16:36 ? 481次 閱讀
        虎賁T7520正式推出 系紫光展銳旗下首款采用SoC單芯片設計的5G方案

        紫光展銳重磅發布新一代5G SoC虎賁T7520,六大亮點集于一身

        紫光展銳今日正式發布新一代5G SoC移動平臺虎賁T7520,以先進的工藝、新一代低功耗設計,大幅提....
        發表于 02-26 16:09 ? 529次 閱讀
        紫光展銳重磅發布新一代5G SoC虎賁T7520,六大亮點集于一身

        5G的到來可以提升智能家居嗎

        智能家居中心,更多的是以小愛音箱為代表的各類智能音箱,僅提供了語音交互。
        發表于 02-26 14:54 ? 94次 閱讀
        5G的到來可以提升智能家居嗎

        智能家居照明會是一個好的方向嗎

        隨著消費者對家居照明的要求提高以及語音交互智聯網時代的到來,廠商逐漸從以功能為中心的產品,發展到以人....
        發表于 02-26 14:51 ? 129次 閱讀
        智能家居照明會是一個好的方向嗎

        智能家居可以讓宅在家的人更精彩?

        智能社區整合自身和周邊資源形成生態圈為小區業主服務,進一步減少社區內部互動和外部互動。
        發表于 02-26 14:48 ? 103次 閱讀
        智能家居可以讓宅在家的人更精彩?

        在智能家居領域求職需要注意什么

        智能家居的概念起源很早,但一直未有具體的建筑案例出現。
        發表于 02-26 14:43 ? 39次 閱讀
        在智能家居領域求職需要注意什么

        聯想拯救者手機預熱海報發布,新機跑分將超過60萬

          2月25號晚間,聯想拯救者手機官方發布了全新預熱海報。海報指出:“55W真的夠用嗎?”并表示聯想....
        的頭像 牽手一起夢 發表于 02-26 14:37 ? 358次 閱讀
        聯想拯救者手機預熱海報發布,新機跑分將超過60萬

        智能家居控制盒,控插板、控電視、控機頂盒,測溫濕度

        智能家居控制盒實現的功能說明 1、控制盒采用ESP8266WIFI模塊,lua語音固件 2、編寫有專用WIFI模塊智能設置軟件 3...
        發表于 02-26 11:23 ? 353次 閱讀
        智能家居控制盒,控插板、控電視、控機頂盒,測溫濕度

        利用GPRS無線通信技術與通訊模塊實現遠程數據采集系統的設計

        目前,遠程數據采集系統通常有兩種形式:通過有線網絡發送信息的遠程數據采集系統和通過GPRS 無線方式....
        發表于 02-26 09:44 ? 136次 閱讀
        利用GPRS無線通信技術與通訊模塊實現遠程數據采集系統的設計

        物聯網的發展對于智能家居的市場有什么影響

        基于終端用戶,全球智能家居市場分為住宅和商業終端用戶。
        發表于 02-25 14:36 ? 214次 閱讀
        物聯網的發展對于智能家居的市場有什么影響

        NI-DAQmx 18.0安裝之后,出現動態鏈接DLL初始化例程失敗

        NI-DAQmx 18.0安裝之后,出現動態鏈接DLL初始化例程失敗。labview2016版本,NI-DAQmx 18.0的版本,之前是labview201...
        發表于 02-22 21:55 ? 276次 閱讀
        NI-DAQmx 18.0安裝之后,出現動態鏈接DLL初始化例程失敗

        labview采集數據時和其他硬件沖突

        用的NI采集卡是PCI-6014,需要在專門的儀器+軟件控制的同時(軟件控制數據采集,包括馬達移動等過程)采集數據。 現在的情...
        發表于 01-14 16:05 ? 499次 閱讀
        labview采集數據時和其他硬件沖突

        RFX2402E與RFX2401C對比分析以及選型芯片詳解

        1. 產品簡述: CMOS 2.4GHZ發射/接收WLAN芯片RFX2402E是一個包含所有射頻功能完全集成的、單芯片、單模的RF前...
        發表于 01-10 13:45 ? 544次 閱讀
        RFX2402E與RFX2401C對比分析以及選型芯片詳解

        如何將多表列表框里面的數據導出為Excel表格

        發表于 01-08 17:19 ? 307次 閱讀
        如何將多表列表框里面的數據導出為Excel表格

        FPGA實現數據采集的方式對比(傳統串口、數據采集卡及外設計接口)

        數據采集在現代工業生產及科學研究中的重要地位日益突出,對實時高速數據采集的要求也不斷提高。在信號測量、圖像處理、音頻信號...
        發表于 01-07 07:00 ? 2939次 閱讀
        FPGA實現數據采集的方式對比(傳統串口、數據采集卡及外設計接口)

        大彩串口屏在智能家居的應用

        1、 大彩智能屏解決方案(1) 方案優勢相較于傳統開關面板,大彩智能屏有以下優勢:l 一個面板可以控制多個設備,簡單便捷,方便...
        發表于 01-06 16:45 ? 362次 閱讀
        大彩串口屏在智能家居的應用

        請問有沒有路數據采集系統資料?

        兄弟們有沒有多路數據采集系統的資料,發一下,稍微有償也可以,不要單片機做的 ...
        發表于 01-06 10:56 ? 289次 閱讀
        請問有沒有路數據采集系統資料?

        2020第十二屆北京國際數據中心技術設備展覽會

        2020第十二屆北京國際數據中心技術設備展覽會 2020 the 12th beijing international data center technology equipment exhibit...
        發表于 01-03 10:28 ? 166次 閱讀
        2020第十二屆北京國際數據中心技術設備展覽會

        PLC快速實現HTTP協議與服務端上傳下載

        PLC加一個智能網關模塊,通過網關的參數軟件配置一下服務端的URL,以及PLC數據寄存器地址就可以了,如圖,附件中有參數...
        發表于 12-26 11:01 ? 359次 閱讀
        PLC快速實現HTTP協議與服務端上傳下載
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