整個方案的實現(xiàn)是以接入實時工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)為目的，在芯片內(nèi)部實現(xiàn)部分EPA協(xié)議，同時控制器實現(xiàn)對工業(yè)以太網(wǎng)上的其他設(shè)備的監(jiān)控、顯示及數(shù)據(jù)分析。設(shè)計中采用Altera公司的新一代低成本的FPGA芯片EP1C12Q240C8芯片，該芯片包含有12060LE（邏輯單元），可根據(jù)實際需要，配置其NIOSⅡCPU軟核、與CPU相連的片內(nèi)外設(shè)和存儲器以及與片外存儲器和片外設(shè)備相連的接口等。其芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

整個CPU處理器的硬軟件設(shè)計均在Quartus II 5.1版本上實現(xiàn)。NIOSⅡ處理器核是Altera公司的第二代用戶可配置的通用32位RISC軟核微處理器，是Altera公司特有的基于FPGA架構(gòu)的可配置的軟CPU內(nèi)核，其特性和外設(shè)可根據(jù)實際需要進(jìn)行增加或剪裁。所有NIOSⅡ處理器系統(tǒng)使用統(tǒng)一的指令和編程模型，并有三種類型以滿足不同設(shè)計的要求，分別是快速型、經(jīng)濟(jì)型和標(biāo)準(zhǔn)型。在本控制器中，所定制的NIOSⅡ軟核選用快速型，該內(nèi)核處理速度為49DMIPS，耗費的邏輯門數(shù)為1400~1800LE，同時帶有硬件乘法器和硬件除法器。根據(jù)EPA網(wǎng)絡(luò)對控制器的要求，添加與CPU相連的片內(nèi)外設(shè)和片外設(shè)備接口：SDRAM控制器、片內(nèi)RAM、三態(tài)橋、UART、定時器、通用I/O口、LCD顯示驅(qū)動電路和以太網(wǎng)接口。按照設(shè)計要求，在Quartus II 5.1版本下的對CPU的配置情況如圖3所示。FPGA芯片可根據(jù)實際需要靈活地增加功能，同樣對不必要的功能也可進(jìn)行刪減，以滿足快速、高效和低成本的設(shè)計。

在配置完CPU處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以后，按照設(shè)計需要對CPU的外圍進(jìn)行配置。由于該控制器是接入EPA網(wǎng)絡(luò)，需要實現(xiàn)EPA協(xié)議，而FPGA芯片EP1C12Q240C8的內(nèi)部只有288K的RAM，所以在片外擴(kuò)展了16M bits的FLASH-AM29LV160D和64M bits的SDRAM-HY57V641620的。從外部引入12V的直流電源，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換以后得到3.3V和1.5V的電源，為CPU、存儲器及其他受電設(shè)備供電。CPU上的時鐘源使用的是50MHz的鐘振。JTAG和EPCS下載口用于硬軟件的下載。將在Quartus Ⅱ上編輯的硬件程序和軟件程序通過JTAG和EPCS下載口，下載到FLASH和RAM（片內(nèi)或者片外）中，可進(jìn)行在線調(diào)試。該復(fù)位電路是由10KW電阻、10mF電容和按鍵組成，可實現(xiàn)按鍵低電平復(fù)位和上電低電平復(fù)位。

圖3 EP1C12Q240C8芯片配置情況

通信處理模塊

整個設(shè)計以FPGA芯片EP1C12Q240C8為數(shù)據(jù)處理中心，通過網(wǎng)絡(luò)通信，完成對工業(yè)以太網(wǎng)上的其他設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，同時通過MAX3232實現(xiàn)和上位機(jī)的串口通信。在該模塊中，加入了LCD接口、行列式鍵盤接口和蜂鳴器接口，對工業(yè)以太網(wǎng)上的其他EPA設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和顯示，有較好的人機(jī)交互的功能。

在該設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)通信分為有線和無線兩種通信方式。其中，有線網(wǎng)絡(luò)通信使用的是10M/100M的LAN91C111的自適應(yīng)網(wǎng)卡芯片，并通過RJ45網(wǎng)口接入EPA網(wǎng)絡(luò)。LAN91C111是SMSC公司為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)推出的第三代快速以太網(wǎng)控制器。LAN91C111的芯片上集成了遵循SMSC/CD協(xié)議的MAC（媒體層）和PHY（物理層），符合IEEE802.3/802.U-100Base-Tx/10Base-T規(guī)范。在本控制器上預(yù)留了藍(lán)牙模塊和ZigBee模塊的無線通信接口，作為輔助處理模塊?？筛鶕?jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際情況，接入無線通信模塊，實現(xiàn)與EPA網(wǎng)絡(luò)的無線通信，通過該模塊能夠監(jiān)測無線現(xiàn)場設(shè)備的運行情況及相關(guān)參數(shù)。

在整個EPA通信協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層接收報文處理流程中。NIOSⅡ處理器復(fù)位后初始化UC/OS Ⅱ操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、堆棧以及定時器等外圍設(shè)備接口。從外部存儲器FLASH中獲取IP地址和MAC地址等網(wǎng)絡(luò)信息。當(dāng)收到的報文IP地址和MAC地址都是本機(jī)地址時，把報文以LWIP所要求的特殊結(jié)構(gòu)體形式存儲在接收緩沖區(qū)中，然后發(fā)送到EPA協(xié)議棧中進(jìn)行處理，當(dāng)檢查到UDP端口號是0x88BC時，將報文交由EPA應(yīng)用層處理模塊進(jìn)行處理。

其部分報文處理程序如下：

/*報文發(fā)送*/

void SendTask（void *pdata）{

struct netconn *conn;

struct ip_addr remote_addr，local_addr;

struct netbuf * buf;

struct udp_pcb * udpbuf;

struct pbuf * buf;

char text［］ = “A static test”;

/*設(shè)置遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址*/

remote_addr.addr = htonl（0x8080023D）;

/*設(shè)置本地主機(jī)的IP地址*/

local_addr.addr = htonl（0x80800233）;

for（;;）{

/*建立一個新連接*/

conn = netconn_new（NETCONN_UDP）;

/*綁定本地IP地址和端口號*/

netconn_bind（conn，&local_addr，0x88BC）;

/*連接遠(yuǎn)程主機(jī)*/

netconn_connect（conn，&remote_addr，0x88BC）;

buf = netbuf_new（）;

/*建立任意的數(shù)據(jù)*/

netbuf_ref（buf，text，sizeof（text））;

netconn_send（conn，buf）;

netconn_delete（conn）;

netbuf_delete（buf）;

OSTimeDlyHMSM（0，0，1，0）;

buf = pbuf_alloc（PBUF_RAW， 60，

PBUF_RAM）;

memcpy（buf-》payload，text，

sizeof（text））;

udpbuf = udp_new（）;

udpbuf-》local_port = 0x88bc;

udpbuf-》remote_port = 0x88bc;

udpbuf-》local_ip = local_addr;

udpbuf-》remote_ip = remote_addr;

udp_bind（udpbuf， &udpbuf-》local_ip，

udpbuf-》local_port）;

udp_sendto（udpbuf，buf，&remote_addr，udpbuf-》remote_port）;

udp_remove（udpbuf）; //釋放

udp_pcb內(nèi)存

pbuf_free（buf）;

OSTimeDlyHMSM（0，0，1，0）;

/* Main initializes lwIP， creates a single task and starts task scheduler. */

void ReceiveTask（void * pdata）{//該任務(wù)

和IP協(xié)議棧相關(guān)，該任務(wù)由

_sys_thread_new函數(shù)來創(chuàng)建

struct netbuf * buf1，*buf2，*buf1_temp;

struct netconn * conn1，*conn2;

void * payload;

u16_t len;

struct ip_addr remote_addr，local_addr;

char text［］ = “I get a EPA packet，please

give me another，I need you， baby.”;

remote_addr.addr = htonl

（0x8080023D）;

local_addr.addr = htonl（0x80800233）;

conn1 = netconn_new（NETCONN_

UDP）;

conn2 = netconn_new（NETCONN_

UDP）;

netconn_bind（conn2， &local_addr， 0x88bc）;

netconn_connect（conn2，&remote_addr，

0x88BC）;

netconn_bind（conn1， &local_addr， 0x88bc）;

while（（buf1_temp = netconn_recv

（conn1））！=NULL）{

//關(guān)于netbuf的結(jié)構(gòu)可以參看api.h文件，在該結(jié)構(gòu)體中，成員p是指向pbuf的一個指針

buf1 = netbuf_new（）;

buf1 = buf1_temp;

payload = buf1-》p-》payload;

len = buf1-》p-》len;

netbuf_delete（buf1）;

buf2 = netbuf_new（）;

netbuf_ref（buf2，text，sizeof（text））;

netconn_send（conn2，buf2）;

netbuf_delete（buf2）;

圖4 EPA協(xié)議棧接收報文處理流程圖

結(jié)語

在完成整個設(shè)計，控制器接入EPA網(wǎng)絡(luò)中能夠正常運行。由于控制器中的處理器使用的是FPGA芯片，有較強的靈活性，能夠進(jìn)行編程、除錯、再編程和重復(fù)操作，因而可以充分地進(jìn)行設(shè)計開發(fā)和驗證。當(dāng)電路有少量改動時候，更凸現(xiàn)出其優(yōu)勢，其現(xiàn)場編程能力可以延長產(chǎn)品在市場上的壽命，可以用來系統(tǒng)升級，從而大大提高了控制器的性能。