基于ＳＯＰＣ的分布式測控網絡智能節點設計

摘要:結合SOPC#65380;嵌入式計算和中間件等先進技術提出了測控網絡智能節點硬件實現總體方案及其通信模型#65377;該節點設備可滿足多種不同環境的工業測控任務要求，具有廣泛的適用性和良好的應用前景#65377;

關鍵詞:分布式測控網絡; 智能節點; 片上可編程系統; 嵌入式實時中間件

中圖分類號:TP23文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2007)04-0282-03

0引言

近年來，隨著分布式計算#65380;網絡通信#65380;嵌入式計算和傳感器網絡等先進技術的飛速發展和日益成熟，高效率的智能化分布式測控網絡研究成為當今測控領域新的發展趨勢#65377;這種測控網絡系統具有廣泛的適用性和良好的應用前景，可以被廣泛地應用于國防軍事#65380;環境監測#65380;交通管理#65380;工業制造等多個領域#65377;在智能化分布式測控網絡中，測控網絡智能節點是其核心組成部分#65377;它主要負責對測控現場的網絡化數據采集器進行管理#65380;動態監控，同時對所收集的數據進行必要的處理#65377;它具有成本低#65380;體積小#65380;高可靠#65380;微功耗#65380;環境適應能力強等性能要求#65377;為了充分滿足測控網絡智能節點的功能和性能要求，綜合考慮開發周期和成本因素，使產品能夠在未來適應不斷演化的標準和規范的變化，同時擁有自己獨立的知識產權#65377;本文擬采用片上可編程系統(System On a Programmable Chip，SOPC)解決方案并結合嵌入式計算和中間件技術來實現測控網絡智能節點，并在此基礎之上建立了測控節點設備的通信模型#65377;

SOPC是Altera公司提出來的一種靈活#65380;高效的SOC解決方案#65377;它將處理器#65380;存儲器#65380;I/O口#65380;LVDS#65380;CDR等系統設計需要的功能模塊集成到一個PLD器件上，將其構建成一個可編程的片上系統#65377;它具有靈活的設計方式，可裁減#65380;可擴充#65380;可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能#65377;由于市場上有豐富的IP Core資源可供靈活選擇，用戶可以構成各種不同的系統#65377;有些可編程器件內還可以包含部分可編程模擬電路#65377;除了系統使用的資源外，可編程器件內還具有足夠的可編程邏輯資源，用于實現其他的附加邏輯#65377;由于SOPC系統具有靈活的設計方式#65380;高效的開發手段#65380;廉價的設計成本可以實現過去不可能實現的更高的系統性能，它在通信和工業控制等領域正得到日益廣泛的應用#65377;

1分布式測控網絡智能節點硬件實現方案 

筆者設計的分布式測控網絡智能節點主要負責對測控現場的網絡化數據采集器進行組織管理#65380;動態監控，同時對所收集的數據作進一步運算處理#65377;在設計時筆者是采用Altera公司Excalibur系列EPXA10 FPGA來實現的#65377;通過EPXA10片內FPGA部分的用戶可編程單元設計了RS485接口控制單元，以用于與現場測控設備連接，同時設計了硬件協議棧單元和Ethernet接口控制單元，使得該節點設備可直接接入以太網或Internet#65377;

Excalibur系列FPGA提供了完整的SOPC解決方案，其內部由Stripe Line和PLD組成#65377;Stripe Line是嵌入FPGA的處理器硬核，PLD是用戶可編程單元#65377;EPXA10嵌入式處理器部分集成的32位ARM992T處理器工作頻率可達200MHz，支持32位ARMv4T指令集和16位Thumb擴展指令集，具有全性能的內存管理單元以及8 KB的指令緩存和8 KB數據緩存，以支持實時操作系統(RTOS)#65380;C語言和匯編語言;EPXA10嵌入式處理器部分集成了256 KB單口SRAM和128 KB雙口SRAM，同時集成了兩個先進的存儲支持，即SDRAM控制器(用于控制單倍速/雙倍速SDRAM)和擴展總線接口(EBI)，可外接四個存儲設備，如閃速存儲器#65380;SRAM等，總容量高達128 MB#65377;其中EBI接口0外接閃速存儲器;EPXA10嵌入式處理器部分提供了兩條32位AMBA微控制器總線AHB1#65380;AHB2，它們分別用于片內各種資源通信;EPXA10片內FPGA部分具有1000000門可編程邏輯#65380;3 MB的內置RAM和512個可供用戶使用的I/O管腳，可以通過嵌入各種IP核可實現各種標準工業接口;EPXA10片內還集成了軟件可編程鎖相環路(PLL)，為微控制器總線及SDRAM控制器提供了靈活精確的時鐘基準;另外EPXA10還具有靈活的啟動方式和工作方式#65377;

在分布式測控網絡智能節點的設計中對于EPXA10的啟動方式選擇從ARM啟動，這種啟動方式需要將設計下載到片外閃速存儲器中，而且設計中必須包含對ARM的應用#65377;啟動時ARM為主動，配置各種寄存器及FPGA，執行軟件代碼#65377;工作方式選擇ARM作為AHB1總線的主控，通過AHB12橋訪問AHB2總線上的從屬資源，包括UART#65380;EBI#65380;SRAM#65380;StripeToPLD橋等，同時通過StripeToPLD橋對FPGA進行訪問和控制#65377;

分布式測控網絡智能節點的硬件實現如圖1所示#65377;

系統主要包括嵌入式處理器單元#65380;硬件協議棧單元#65380;Ethernet MAC接口控制單元#65380;RS485接口控制單元和外圍電路單元五部分#65377;其中嵌入式處理器單元是EPXA10片內原有資源#65377;設計工作主要是通過EPXA10片內FPGA部分用戶可編程單元實現硬件協議棧單元#65380;Ethernet接口控制單元和RS485接口控制單元#65377;

RS485接口控制單元內部主要由接口控制單元#65380;輸入/輸出緩沖區#65380;邏輯控制電路#65380;狀態寄存器#65380;時序發生器#65380;接收通道#65380;發送通道和CRC生成電路組成#65377;其中接口控制單元用于接收通道#65380;發送通道和嵌入式處理器對輸入/輸出緩沖區以及狀態寄存器讀寫操作的控制，實現單元內和單元外總線的隔離#65377;輸入/輸出緩沖區利用FPGA片內的雙口RAM來實現#65377;該模塊為接收通道#65380;發送通道和嵌入式處理所共享#65377;邏輯控制電路用于產生在接收通道#65380;發送通道和接口控制單元中使用的各種時鐘和控制信號#65377;狀態寄存器用于存儲控制單元的各類狀態信息#65377;時序發生器用于產生邏輯控制電路所需的各種頻率#65380;相位和占空比的時鐘信號#65377;接收通道用于完成串/并轉換#65380;幀同步標志識別#65380;“0”碼剔除#65380;站址識別#65380;CRC校驗#65380;中斷處理#65380;RAM地址發生等功能#65377;發送通道完成RAM地址發生#65380;并/串轉換#65380;CRC校驗#65380;插入“0”碼#65380;成幀等功能#65377;CRC生成電路主要用于生成CRC校驗碼#65377;

Ethernet接口控制單元內部主要包括接口控制單元#65380;控制與狀態寄存器#65380;發送數據緩沖區#65380;接收數據緩沖區#65380;發送模塊和接收模塊#65377;其中接口控制單元用于實現與嵌入式處理器之間的數據交換#65377;控制與狀態寄存器主要用于功能參數的設置及狀態信息的存儲#65377;發送數據緩沖區是發送模塊數據傳輸通道#65377;接收數據緩沖區則是接收模塊的數據傳輸通道#65377;發送模塊主要實現CSMA/CD協議，完成數據幀的傳送，即以字節為單位從發送緩沖區讀取數據，并將其轉換成4 bits的半位元傳送給以太網的物理層芯片，其內部主要包括發送狀態控制機#65380;幀間隙定時器#65380;幀長度計數器#65380;延時計數器#65380;沖突計數器#65380;重傳計數器#65380;沖突計數器和CRC生成電路#65377;接收模塊主要完成數據幀的接收，即從物理層芯片接收4 bits半位元數據，將其轉換成以字節為單位的數據并存儲在接收數據緩沖區內，其內部主要包括接收狀態控制機#65380;幀間隙定時器#65380;幀長度計數器#65380;幀起始檢測邏輯#65380;地址匹配邏輯#65380;幀校驗邏輯和CRC生成電路#65377;

在設計網絡硬件協議棧單元時為了簡化設計，根據協議分層結構的特點，并結合FPGA內部結構資源，將網絡協議分成兩個相對獨立的部分，即協議封裝和協議分解#65377;這兩個部分分別通過發送和接收數據緩沖區來完成數據的輸入/輸出#65377;網絡硬件協議棧單元內部主要包括接口控制單元#65380;發送數據緩沖區#65380;接收數據緩沖區#65380;控制與狀態寄存器#65380;發送模塊和接收模塊等#65377;其中接口控制單元用于實現與嵌入式處理器之間的數據交換#65377;控制與狀態寄存器用于功能參數的設置及狀態信息的存儲，控制著整個硬件協議棧運行#65377;發送數據緩沖區是發送模塊數據傳輸通道，存放的數據等待進行協議封裝#65377;接收數據緩沖區則是接收模塊的數據傳輸通道#65377;存放的數據已經完成協議分解，等待嵌入式處理器讀取;發送模塊將用戶數據發送緩沖區的數據進行協議封裝(UDP封裝和IP封裝)，并將封裝后的數據寫入MAC模塊中的發送緩沖區，啟動MAC模塊發送數據#65377;其內部主要包括發送控制模塊#65380;UDP封裝模塊#65380;IP封裝模塊#65380;ARP封裝模塊和IP地址寄存器#65377;其中ARP封裝模塊封裝完整的ARP協議幀，并將其寫入MAC模塊的發送緩沖區，啟動MAC模塊發送數據#65377;接收模塊對接收到的IP數據包進行協議分解，并將分解后得到的有效數據寫入用戶接收數據緩沖區#65377;其內部主要包括接收控制模塊#65380;UDP解析模塊#65380;IP解析模塊和ARP解析模塊#65377;其中ARP解析模塊對接收到的ARP協議幀進行分解，如果是ARP回應幀則將目標的物理地址和IP地址寫入用戶數據緩沖區;如果是ARP請求幀，則啟動ARP封裝模塊封裝完整的ARP回應幀#65377;其他類型的ARP幀將不被處理而丟棄#65377;

2分布式測控網絡智能節點通信模型

筆者設計的分布式測控網絡智能節點通過RS485接口控制單元與現場測控設備連接，同時通過網絡硬件協議棧單元和Ethernet接口控制單元可直接接入以太網或Internet#65377;其通信模型如圖2所示#65377;該通信模型不僅實現了測控網絡智能節點上下行的縱向實時通信，還實現了節點之間的橫向實時通信#65377;

分布式測控網絡智能節點下行通信是通過RS485總線與下層現場測控設備相連接#65377;其通信協議采用令牌總線技術來設計#65377;本系統中將智能測控節點設為主站以負責令牌的管理和邏輯環的初始化;而對于各個從站而言，只有當其獲得令牌時才能發送數據#65377;為各個節點設置不同編號#65377;其中主站設為1號站，各站點按遞減的站地址次序組成邏輯環#65377;本系統中把數據分為兩種優先級，即實時數據和非實時數據#65377;每級數據都有發送時間限制，令牌持有者先發最高級別數據，當發送完成或發送時間到時轉而發送次優先級數據，如此下去，當最低級別數據發完或時限到時令牌被傳給后繼站#65377;站點的總個數可事先預置入主站中，令牌傳遞算法中對于子站進站和出站情況是透明的，這樣就簡化了算法#65377;另外，在本系統中對邏輯環的初始化，為了簡化認為所有站點在加電時均在網上#65377;令牌運轉過程中，主站中設置令牌傳輸最大時限，并通過令牌時間計數器進行令牌丟失檢測，當令牌丟失時由主站重新生成令牌，并對整個系統進行初始化#65377;

分布式測控網絡智能節點上行通信是通過網絡硬件協議棧單元和Ethernet接口控制單元直接接入以太網或Internet#65377;由于UDP協議比TCP協議實現起來更簡單，省去了建立連接和拆除連接的過程，取消了重發檢驗機制，能夠達到較高的通信速率，在可靠性較高的工業測控網絡中比較適用，網絡硬件協議棧單元采用以UDP協議為核心來進行設計#65377;Ethernet接口控制單元主要是實現了以太網CSMA/CD協議，在采用全雙工交換式以太網的應用環境中其通信實時性有一定保障#65377;

現場總線虛擬通道是連接現場測控設備的通信通道，由現場訪問管理單元對其進行訪問控制管理，通過在虛擬通道中建立虛擬通信關系使得多個不同現場測控設備之間可以進行通信#65377;現場訪問管理單元還負責網絡啟動時現場測控設備的注冊并為其分配網絡地址，網絡運行時增加#65380;刪除或配置站點等網絡維護工作#65377;節點設備的網絡配置和維護等工作采用簡單網絡管理協議SNMP來完成#65377;

為了保證分布式測控網絡智能節點之間橫向通信的實時性，本文在應用層采用了實時CORBA中間件技術#65377;實時CORBA規范是OMG組織針對高性能實時應用的需求，在對CORBA規范進行了擴充和完善的基礎上于1999年3月發布的#65377;實時CORBA規范建立在CORBA規范的基礎上，它本身是對CORBA規范的一個擴展#65377;實時CORBA規范定義了在固定優先級應用程序中支持端對端操作時延可預見性的標準特性#65377;同時由于傳統CORBA模型在其實現的體積和資源的占用等方面無法滿足嵌入式應用的要求，為了滿足基于SOPC技術的測控網絡節點設備對體積和資源占用等方面的限制，還需要應用MinimumCORBA中間件技術，MinimumCORBA規范是OMG組織提出的一個專門針對嵌入式等有限資源系統進行精簡和優化的CORBA版本#65377;

在分布式測控網絡智能節點通信模型中，本文結合負責實時CORBA和MinimumCORBA中間件技術提出的橫向通信部分主要包括ORB核心#65380;通信管理器#65380;客戶應用代理程序，IDL存根和IDL框架#65380;IDL編譯器#65380;實時調度器及優先級策略等#65377;其中ORB核心是實時CORBA用于負責連接管理#65380;內存管理#65380;數據傳輸和并發控制的標準組件#65377;在本文設計中采用引導者/跟隨者模式來實現實時CORBA并發模型#65377;引導者/跟隨者模式將I/O事件直接分發給線程池中的線程，而不需要單獨的I/O線程#65377;在某一時刻，讓線程池中某個線程作為引導者等待一系列客戶連接上的請求，而其他線程作為跟隨者等待成為引導者的時機#65377;當引導者接收到一個請求后，將一個跟隨者線程提升為引導者，然后處理該請求，結束后變為跟隨者，等待再次成為引導者#65377;通過這樣的設計能減少動態內存分配#65380;線程間數據交換#65380;優先級倒置等，從而提高整體性能#65377;現場訪問管理單元為ORB提供對底層網絡接口和操作系統資源的訪問，與實時ORB進行集成，從而為CORBA應用程序提供端對端的實時調度和實時通信#65377;

通信管理器為客戶應用代理程序提供標準接口#65377;CORBA請求的頭信息中包含了其遠程對象實現及所請求操作的標志，通信管理器將對象實現與ORB聯系起來，將收到的請求分發到對象實現，并映射到對應操作#65377;ORB分發過程的具體步驟如下:現場訪問管理單元將客戶請求通過現場總線虛擬通道發送到ORB核心;ORB核心根據請求中的對象標志和地址信息定位合適的通信管理器目標IDL框架;IDL框架尋找對應的操作實現函數，將請求中的緩存解析為操作參數并執行該實現函數#65377;

要滿足應用對實時性的要求，必須實現客戶端請求的優先級在ORB系統中端對端的傳遞#65377;筆者使用下列機制來保證這一點:①優先級映射，定義統一的且與平臺無關的實時CORBA優先級，通過優先級映射函數將實時CORBA優先級的值映射為本地操作系統的優先級;②定義CORBA優先級模式，參照客戶端設置的優先級，將優先級從服務上下文中取出，并根據其值來設置處理線程的優先級;③為通信管理器預先分配若干具有適當優先級的線程;④允許客戶端通過多個傳輸連接與被請求服務方通信，每個連接專門處理某個或一系列優先級的操作請求#65377;

實時調度器決定ORB系統中請求服務端與處理請求端的優先級#65377;用戶應用代理程序為其所有的可調度操作指定實時性需求，并將這些需求信息及操作間的執行依賴關系通過調度器的輸入接口發送到調度器，并將其保存到實時信息庫中#65377;實時調度器將評估操作的可調度性，并根據所配置的調度策略為其分配派遣優先級，以及確定派遣隊列的數量和類型#65377;這些信息也被保存在實時信息庫中#65377;當用戶應用代理程序開始運行時，ORB將通過調度器的輸出接口從實時信息庫獲取派遣隊列的線程優先級和類型，然后配置其派遣模塊，如現場訪問管理單元#65380;ORB核心等#65377;根據所獲取的派遣隊列配置信息來確定所構造隊列的數量#65380;類型，并為其分配正確的線程優先級#65377;當接收到客戶端的操作請求時，相應的派遣模塊通過調度器輸出接口獲取相關信息來判斷該請求所屬派遣隊列并初始化其派遣優先級#65377;

3結束語

為了適應網絡化測控系統的要求，本文結合SOPC#65380;嵌入式計算和中間件等先進技術提出了測控網絡智能節點硬件實現總體方案及其通信模型，并制作出了實驗室樣機#65377;經過初步測試和評估，該節點設備具有成本低#65380;體積小#65380;高可靠#65380;微功耗#65380;環境適應能力強等特點，可滿足多種不同環境的工業測控任務要求，具有良好的應用前景#65377;

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