基于FPGA的片上系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)立足于利用Intemet實現(xiàn)核環(huán)境信息的遠(yuǎn)程采集。在實現(xiàn)上，采用了基于SOPC技術(shù)的嵌入式解決方案，通過在FPGA中嵌入NioslI軟核處理器和所需外設(shè)的IP Core(硅知識產(chǎn)權(quán)核)，然后再配備相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口，實現(xiàn)利用互聯(lián)網(wǎng)進行信息的傳輸。

另外，通過開發(fā)用于控制信息采集子系統(tǒng)的IP核，利用FPGA固有的硬件并行特性，本系統(tǒng)做到了對多個信息源進行真正意義上的并行監(jiān)控，即在進行α射線探測的同時也可以進行γ射線和溫濕度等信息的獲取。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計及實現(xiàn)

在本系統(tǒng)的設(shè)計中，硬件上為了做到通用性，在結(jié)構(gòu)上劃分為兩部分，即用于完成現(xiàn)場監(jiān)控和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)耐ㄓ镁W(wǎng)絡(luò)平臺和用于完成溫濕度、液位、α及γ輻射總量測量等工作的環(huán)境信息采集子系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)分別如圖l、圖2所示。兩個子系統(tǒng)通過一條40芯扁平電纜連接。在軟件上，考慮到利用互聯(lián)網(wǎng)進行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜性，使用嵌入式操作系統(tǒng)和TCP／IP協(xié)議棧是必然的選擇，因此硬件上也圍繞這個關(guān)鍵點進行設(shè)計。

1．1 Niosii軟核CPU

NiosII軟核CPU是A137ERA公司推出的一種通用32位RISC嵌入式處理器，它特別為可編程邏輯進行了優(yōu)化設(shè)計，并配備有功能完善的開發(fā)套件，包括C/C++編譯器、集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、JTAG調(diào)試器等，是ALTERA公司可編程單芯片系統(tǒng)解決方案的核心。

作為一個軟核處理器，NiosII提供了可配置的硬件及軟件調(diào)試特性，包括基本的JTAG的運行控制(運行、停止、單步、存儲器等)、硬件斷點、數(shù)據(jù)觸發(fā)、片內(nèi)和片外跟蹤、嵌入式邏輯分析儀。這些強大的工具可以在開發(fā)階段使用，調(diào)試通過后便可以去掉，節(jié)省資源。NiosII處理器還提供了高、中、低三種不同性能的內(nèi)核，通過與ALTERA提供的超過60種IP核(UART、時鐘、DMA、SDRAM、并行I／0等)結(jié)合使用，設(shè)計師可以方便地針對特定的應(yīng)用創(chuàng)建一個在處理器、外設(shè)、存儲器和I／O接口方面都完美的方案。除此以外，NiosII還有很多其他優(yōu)秀的特性，如指令定制、硬件加速器等。

1．2 網(wǎng)絡(luò)接口單元

以太網(wǎng)接口芯片采用了SMSC公司專門用于嵌入式產(chǎn)品的LAN91C111快速以太網(wǎng)控制器。該芯片內(nèi)部同時集成了以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制器(MAC)及物理層收發(fā)器(PHY)，支持10／100M全雙工傳輸模式、自動協(xié)商及流控等功能。其主機接口具有同步總線、異步總線等多種工作模式，可以方便地與各種體系的CPU連接。本設(shè)計中使用了異步總線接口模式，并與FLASH共用地址線和數(shù)據(jù)線，通過FPGA上的適配模塊連接到Avalon片內(nèi)總線。

　　1．3 存儲器單元

由于存儲操作系統(tǒng)內(nèi)核、應(yīng)用程序代碼、程序數(shù)據(jù)等的需要，本系統(tǒng)使用了一片型號為AM29LV320D的FLASH芯片。該芯片由AMD公司推出，容量為4MB，支持CFI接口，其與AvMon總線的連接需要FPGA內(nèi)部的總線適配模塊進行時序匹配。SDRAM用于存儲運行期的程序代碼和數(shù)據(jù)，HY57V563220B(L)T為現(xiàn)代公司推出的容量達16MB的SDRAM，由于該芯片端口寬度可達32位，因此系統(tǒng)中使用單芯片即可。SDRAM讀寫時序比較復(fù)雜，需要在FPGA中集成專用的SDRAM控制器IP核與其對接。