基于SOPC技术的远程测控系统设计

1 远程测控系统的硬件架构
远程测控系统的硬件架构如图1所示。从图中可以看出，Nios II软核CPU及各种所需的外设IP均通过SOPCBui lder集成在一片FPGA中，构成本系统所需硬件的可重构部分，实现真正的可编程片上系统(SOPC)。
1．1 I P核设计
为了在低成本情况下完成预定功能，选择了Cyclone FPGA系列器件中的EP1C6。EP1C6无论从逻辑资源还是存储器均能满足设计要求。在本系统中，我们设计或选用了如下主要的IP核。
1．1．1 UART带Avalon接口的通用异步接收器／发送器。UART内核执行RS-232协议，它为FPGA上的嵌入式系统和外部设备提供了串行字符流的通信方式。带Avalon接口的JTAG-UART内核还提供Nios CPU系统到PC机的连接通路，通过JTAG-UART在PC机上调试NiosCPU所需要的程序，并通过监控程序对整个系统的运行进行控制。
1．1．2 GPIO。并行输入／输出内核。它提供Avalon从控制器端口到通用I／O口间的映射接口。该IP核是常规的外设控制接口。通过GPIO，对内控制SOPC系统中的其他部分，对外充当并行I／O接口，读取开关量，对LED、LCD等外设进行控制。
1．1．3 SDRAM 该IP核是外部存储器SDRAM的控制接口。通过它完成SDRAM的时序控制。软件设计中， SDRAM的时序控制对用户是完全透明的。
1．1．4 EPCS。带Avalon接口的EPCS设备控制器内核。该IP核允许Nios II系统访问EPCS串行配置芯片，该芯片主要用于存储程序代码或一些非易失性数据。

1．1．5三态总线桥。该IP核是Avalon和Avalon-TriBUS总线以及Avalon和Wishbone总线的桥接控制器，用于连接两种不同总线。考虑有些外设需要自行开发I2CIP核，这些外设不能直模压电感接连到Avalon总线上，需要通过桥接控制器。
1．2 检测和执行模块
由于远程测控系统设计的目的不同，该模块选用的IP核也不完全相同。SOPC Builder自带的IP库中并不包含I2C配置接口模块，该模块需要根据配制芯片的寄存器特点和功能进行专门设计，并以I2C核的形式通过SOPCBuilder连接到系统的Avalon总线上。
1．3 传输接口模块
本系统有三种数据传输方式：串口、USB接口和以太网接口。串口、USB接口通过UART接Avalon总线。以太网接口芯片选用了SMSC公司的LAN91c11 1芯片，该芯片内部集成了以太网介质访问(MAC)及物理层收发器(PHY)，支持10／1OOM全双工传输模式、自动协商等功能。LAN91C111芯片通过FPGA内的适配器模块连接到EP1C6内部的Avalon总线上，从而实现系统接入Internet。

2 远程测控系统的软件体系
本系统有两大功能：数据的远程采集及传送。考虑到使用互联网进行远程数据传输的复杂性，在设计中使用嵌入式操作系统和TCP／IP协议栈是必然选择。
软件系统体系结构如图2所示。主要包括嵌入式操作系统的移植；网络协议栈的实现；应用级代码编写等部分。为了方便用户编程，Nios II IDE提供了设备驱动程序，即硬件抽象层(HAL)系统库。HAL应用程序接口(API)与A电感器厂家NSI C标准库综合在一起，可以使用类似C语言的库函数来访问硬件设备或文件，如printf()、fopen()等，而无须关心底层硬件的实现细节。

2．1 移植μC／OS-II和LWIP
μC／OS-II是一种可移植、可固化、占先式多任务实时操作系统内核。其规模较小、实时性和可靠性较高，Nios II集成开发环境(IDE)对功率电感器μ C／OS-II具有良好的支持，故μC／OS-II是嵌入式操作系统的首选。它通过为每个任务分配单独的任务堆栈来保存任务工作环境，提供任务管理和调度服务。
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