基于SOPC技术的核信息远程采集系统

来自 中国测控网来自 中国测控网 时间 时间 2012 11 29 当今对核环境信息的监测具有重要的社会意义 传统的方法是工作人员进行现场操作 以获取核数据 但这种方法存在环境适应能力差 测量周期短等诸多弊端 使得应用场合 受到很大限制 例如 在放射性样品储藏室中 需对 及 辐射总量进行长期监测与控制 由于环境恶劣 工作人员无法长期停留在现场 因此研制一种具有远程信息采集能力的系 统具有很强的现实意义 Internet 现已覆盖全球 通过 Internet 可以方便地传送信息 因此 本系统立足于利用 Intemet 实现核环境信息的远程采集 在实现上 采用了基于 SOPC 技术的嵌入式嵌入式解决方案 通过在 FPGA 中嵌入 NIoslI 软核处理器和所需外设的 IP Core 硅知识产权核 然后再配备 相应的网络接口 实现利用互联网进行信息的传输 另外 通过开发用于控制信息采集子系统的 IP 核 利用 FPGA 固有的硬件并行特性 本系统做到了对多个信息源进行真正意义上的并行监控 即在进行 射线探测的同时也可 以进行 射线和温湿度等信息的获取 1 系统硬件设计及实现 在本系统的设计中 硬件上为了做到通用性 在结构上划分为两部分 即用于完成现 场监控和数据远程传输的通用网络平台和用于完成温湿度 液位 及 辐射总量测量等 工作的环境信息采集子系统 其结构分别如图 l 图2所示 两个子系统通过一条40芯扁平 电缆连接 在软件上 考虑到利用互联网进行远程数据传输的复杂性 使用嵌入式操作系 统和 TCP IP 协议栈是必然的选择 因此硬件上也围绕这个关键点进行设计 来自 中国测控网来自 中国测控网 时间 时间 2012 11 29 1 1 Niosii 软核 CPU NiosII 软核 CPU 是 A137ERA 公司推出的一种通用32位 RISC 嵌入式处理器 它特别 为可编程逻辑进行了优化设计 并配备有功能完善的开发套件 包括 C C 编译器 集成 开发环境 IDE JTAG 调试器等 是 ALTERA 公司可编程单芯片系统解决方案的核心 作为一个软核处理器 NiosII 提供了可配置的硬件及软件调试特性 包括基本的 JTAG 的运行控制 运行 停止 单步 存储器等 硬件断点 数据触发 片内和片外跟踪 嵌 来自 中国测控网来自 中国测控网 时间 时间 2012 11 29 入式逻辑分析仪 这些强大的工具可以在开发阶段使用 调试通过后便可以去掉 节省资 源 NiosII 处理器还提供了高 中 低三种不同性能的内核 通过与 ALTERA 提供的超过 60种 IP 核 UART 时钟 DMA SDRAM 并行 I 0等 结合使用 设计师可以方便地针对 特定的应用创建一个在处理器 外设 存储器和 I O 接口方面都完美的方案 除此以外 NiosII 还有很多其他优秀的特性 如指令定制 硬件加速器等 1 2 网络接口单元 以太网以太网接口芯片采用了 SMSC 公司专门用于嵌入式产品的 LAN91C111快速以太网控控 制器制器 该芯片内部同时集成了以太网介质访问控制器 MAC 及物理层收发器 PHY 支持 10 100M 全双工传输模式 自动协商及流控等功能 其主机接口具有同步总线 异步总线 等多种工作模式 可以方便地与各种体系的 CPU 连接 本设计中使用了异步总线接口模式 并与 FLASH 共用地址线和数据线 通过 FPGA 上的适配模块连接到 Avalon 片内总线 1 3 存储器单元 由于存储操作系统内核 应用程序代码 程序数据等的需要 本系统使用了一片型号 为 AM29LV320D 的 FLASH 芯片 该芯片由 AMD 公司推出 容量为4MB 支持 CFI 接口 其与 AvMon 总线的连接需要 FPGA 内部的总线适配模块进行时序匹配 SDRAM 用于存储 运行期的程序代码和数据 HY57V563220B L T 为现代公司推出的容量达16MB 的 SDRAM 由于该芯片端口宽度可达32位 因此系统中使用单芯片即可 SDRAM 读写时序 来自 中国测控网来自 中国测控网 时间 时间 2012 11 29 比较复杂 需要在 FPGA 中集成专用的 SDRAM 控制器 IP 核与其对接 2 总量计数 IP 核 如图2所示 或 探测器探测器获得的信号经由两级放大器串接组成的线性脉冲放大器放大 后送至以 LM393为核心的甄别电路进行比较 滤掉噪声 输出矩形的脉冲信号 对于这个 信号的处理 以 MCU 微控制器 为核心的传统核探测仪只能通过 MCU 上已有的硬件资源 如定时器 结合软件来实现 这种方法受制于硬件资源和 MCU 的速度 难以对多通道信号源进行并行处理 本系 统中 总量计数 IP 核即是针对此问题而专门设计的硬件 使用 VHDL 语言设计实现 其 内部接口符合 Avalon 片内总线从设备接口规范 可以方便地挂接在 Avalon 总线上 作为 NiosII 软核 cPu 的一个专用外设 总量计数 IP 核是网络平台 FPGA 中子板接口的一部分 其结构如图3所示 辐射总 量测量与 辐射总量测量原理类似 下面以 测量为例介绍其工作原理 时钟源模块通过 对主时钟分频产生一个 O 1秒的脉冲信号 作为定时器计时的基准源 定时器则按照命令 寄存器传过来的采集时间产生所需的定时信息 根据定时器的定时信息和命令寄存器的命令 控制计数器对 测量模块传过来的脉冲 信号进行计数 从而获得辐射总量的计数值 该计数值被存进 FIFO 中 而在另一侧 NiosIICPU 通过 Avalon 总线向 IP 核的命令寄存器写入相应的命令字实现对各通道的控制 例如启动总量计数 关闭总量计数 设置采集时间及清空 FIFO 等 值得注意的是 来自甄别电路的 或 计数脉冲是与本 IP 核工作时钟异步的信号 而 计数器的值最终是需要存人 FIF0的 因此对 或 计数脉 冲都以主时钟进行二次锁存并整形 使每个异步计数脉冲产生一个只持续一个主时钟 周期的同步脉冲 以该脉冲进行计数 不仅解决了异步信号同步的问题 而且有效地滤除 来自 中国测控网来自 中国测控网 时间 时间 2012 11 29 了干扰脉冲 使计敦值准确 3 系统的软件结构 为了实现利用 Intemet 进行远程数据传输 本系统在 NiosII 上移植了 MicroC OS2实时 操作系统和 LWIP 轻量级 IP 协议栈 进而在其上开发信息采集软件 3 1 MicroC OS2及 LWIP 的移植 此部分工作主要是针对本系统的特定硬件进行移植并编写如温湿度传感器传感器 SHT75 总 量计数 IP 核等所需的各种驱动 因此深入了解软件的各层结构和细节是移植成功的关键 HAL 即硬件抽象层 是 NiosII 开发套件的一部分 由 ALTERA 公司提供 它封装了 系统中硬件操作的相关细节 驱动程序也作为它的一部分 HAL 共抽象了六种器件模型 包括字符模式器件 定时器件 文件子系统 以太网器件 DMA 器件和 Flash 器件 并为 每一类器件提供一系列的统一的初始化函数和访问函数接口 通过这种方式 HAL 向上一 层提供了一个类 POSIX 的 API 接口 即硬件抽象层应用编程界面 针对 NiosII 的软件开发 其实是建立在 HAL 之上 而非直接面向 NiosII 硬件本身 本系统测量模块所对应的各个接口 IP 核均属于字符模式器件 因此驱动程序需按 HAL 中 字符模式器件模型来进行编写 MicroC OS2是一个适合于小型 微控制器的可剥夺实时操作系统 它支持56个用户任 务 其内核为占先式 支持信号量 邮箱 消息队列等多种常用的进程间通信机制 通过 它为应用程序提供所需的多任务环境 由于 MicroC OS2自身并没带有协议栈 因此需要移 植一个 TCP IP 协议栈 LWIP 从而向上层提供了一个类似 UNIX 套接字的接口 LWIP 支 持以下一些网络协议 IP ARP ICMF UDP TCP 该协议栈需要20KB 的代码存储空 间及4KB 的数据存储空问 同时在构建系统时还需要添加一个专供其使用的定时器 图4为分析得到的系统软件的启动流程 在该流程图中 alt sys init 用于初始化系统 来自 中国测控网来自 中国测控网 时间 时间 2012 11 29 中的设备 在这个过程中会调用设备驱动程序提供的初始化程序 Lwip stack init 用于初 始化 TCP IP 协议栈 而 tcpip init done 是一个在协议栈初始化后被调用的函数 通信服 务器的任务也在其中创建 有一点需要注意的是 所有基于 LWIP 的任务 都应该使用 sys thread new 函数来创建 而不是直接使用 OSTaskCreate 最后 所有的初始化都准 备好后 即调用 OSStart 来启动 RTOS 进行任务调度 3 2 信息采集程序的设计 本模块作为一个任务 运行于 MicroC OS2实时操作系统之上 完成对各个探测子系统 基于策略或远程指令的测量控制 获取的信息被保存到指定的内存缓冲区 并根据要求将 结果返回到远程主机上 对于温湿度测量 由于 SHT75传感器的湿度输出呈一定的非线性 为了获取准确数据 需要根据给定的公式对所获得的数据进行修正 而温度输出则不需进 行补偿 将数字输出转换为实际温度值即可 详见 SHT75数据手册 对于总量计数的处理 本模块只是简单地将数据打包后交给通信服务器传回远程主机 来自 中国测控网来自 中国测控网 时间 时间 2012 11 29 3 3 通信服务器 本任务通过 sys thread new 函数创建 作为一个服务器监听约定的端口 等待远程主 机的连接 提取远程主机的命令 通过消息队列将所获得的命令发送到信息采集任务 同时 也根据要求将信息采集任务获得的各种数据分类发回远程主机 LWP 提供了标准的 Berkeley 套接字编程界面 这个界面提供了三种类型的套接字 在 这里使用了流式套接字 这是一个面向连接的可靠的数据传输服务 也就是说使用的是 TCP 协议 通常 服务器接收到并发服务请求 要激活一新进程来处理这个客户请求 但 出于系统资源和简化设计的考虑 在这里服务器同一时刻只能接受一个连接