嵌入式工业以太网控制器的设计和应用

 　　随着工业以太网的大规模应用，嵌入式的工业以太网系统也越来越多地渗入到了工控领域，以ColdFire微处理器和ARM处理器为硬件平台的嵌入式工业以太网系统已经得到了广泛应用。

　　但是，由于上述这些系统的开发平台并不完全针对工业以太网的应用情况，因此在实际应用中经常出现硬件资源浪费或者资源不够的问题，开发系统往往需要外接PLD芯片来进行外围器件的逻辑控制，存在接口速率的瓶颈问题。基于SOPC技术的NIOS处理器能解决这个难题。

　　硬件设计

　　控制器的硬件设计在SOPCBuilder和QuartusII中完成。利用它们可以灵活定制NIOSCPU的各个特性甚至指令，可以使用Altera提供的大量IP来加快开发NIOS外设的速度，提高外设的性能，还可以使用第三方IP，或VHDL、Verilog来定制外设。

　　嵌入式工业以太网控制器的硬件分为三个部分：FPGA部分、存储器部分和外围元件部分，如图1所示。本文选用的FPGA是CYCLONEEP1C6。

　　在SOPCBuilder中需要设计的是FPGA部分，要建的NIOS系统包含的元件模块有：一个NIOSCPU核，用于连接NIOS核的Avalon总线控制器，一个存放启动和调试程序的内部存储器BootROM，一个UART串行通信电路模块(RS232核)，一个内部定时器和一些通用I/O外围接口模块。为使NIOS系统正常工作，在FPGA外围必须接有一个RS232通信口、RJ45、几个发光管和数码管以及16M的SRAM和4M的FlashROM。

　　软件设计

　　由于在硬件开发中的NIOSCPU及其外设构成的系统是自定制的，存储器、外设地址的映射等都各不相同，因此需要专有的SDK(软件开发包)。在完成NIOS的硬件开发后，SOPCBuilder能够自动生成SDK。

　　软件部分的开发几乎与通常的嵌入式系统的开发没有区别，唯一的不同只在于：这里的嵌入式系统是自己定制的、裁剪过的，受到硬件的局限小一些。

　　Clinux。考虑到性价比以及现场控制需要，控制器的操作系统采用了

　　整个嵌入式工业以太网控制器具有以下特点：

　　1)很高的灵活性。由于微处理器采用NIOS，使得系统资源能够灵活调配，并且克服了采用其它处理器中存在的接口速率瓶颈的缺点，适应工业以太网实时数据的要求。

　　2)Clinux裁减后体积非常小，且具备以太网功能，这样可以很容易实现控制器的微型化、网络化;?很高的集成度。由于NIOS具有丰富的接口资源，而

　　3)很高的实时性。本控制器在硬件和软件设计时都充分考虑了系统的实时性。硬件设计中采用了高速A/D(500kHz)和多路D/A输出，使得关键信号能及时采样和输出，保证了“硬实时”;操作系统中加入了RTlinux模块，保证了“软实时”。