基于SOPC技术的EPA现场控制器的设计

。所有NIOSⅡ处理器系统使用统一的指令和编程模型，并有三种类型以满足不同设计的要求，分别是快速型、经济型和标准型。在本控制器中，所定制的NIOSⅡ软核选用快速型，该内核处理速度为49DMIPS，耗费的逻辑门数为1400~1800LE，同时带有硬件乘法器和硬件除法器。根据EPA网络对控制器的要求，添加与CPU相连的片内外设和片外设备接口：SDRAM控制器、片内RAM、三态桥、UART、定时器、通用I/O口、LCD显示驱动电路和以太网接口。按照设计要求，在Quartus II 5.1版本下的对CPU的配置情况如图3所示。FPGA芯片可根据实际需要灵活地增加功能，同样对不必要的功能也可进行删减，以满足快速、高效和低成本的设计。
　　在配置完CPU处理器的内部结构以后，按照设计需要对CPU的外围进行配置。由于该控制器是接入EPA网络，需要实现EPA协议，而FPGA芯片EP1C12Q240C8的内部只有288K的RAM，所以在片外扩展了16M bits的FLASH-AM29LV160D和64M bits的SDRAM-HY57V641620的。从外部引入12V的直流电源，经过电平转换以后得到3.3V和1.5V的电源，为CPU、存储器及其他受电设备供电。CPU上的时钟源使用的是50MHz的钟振。JTAG和EPCS下载口用于硬软件的下载。将在Quartus Ⅱ上编辑的硬件程序和软件程序通过JTAG和EPCS下载口，下载到FLASH和RAM（片内或者片外）中，可进行在线调试。该复位电路是由10KW电阻、10mF电容和按键组成，可实现按键低电平复位和上电低电平复位。

图3 EP1C12Q240C8芯片配置情况

　　2.3 通信处理模块
　　整个设计以FPGA芯片EP1C12Q240C8为数据处理中心，通过网络通信，完成对工业以太网上的其他设备的数据通信，同时通过MAX3232实现和上位机的串口通信。在该模块中，加入了LCD接口、行列式键盘接口和蜂鸣器接口，对工业以太网上的其他EPA设备进行监控和显示，有较好的人机交互的功能。
　　在该设计中，网络通信分为有线和无线两种通信方式。其中，有线网络通信使用的是10M/100M的LAN91C111的自适应网卡芯片，并通过RJ45网口接入EPA网络。LAN91C111是SMSC公司为嵌入式应用系统推出的第三代快速以太网控制器。LAN91C111的芯片上集成了遵循SMSC/CD协议的MAC（媒体层）和PHY（物理层），符合IEEE802.3/802.U-100Base-Tx/10Base-T规范。在本控制器上预留了蓝牙模块和ZigBee模块的无线通信接口，作为辅助处理模块。可根据工业现场的实际情况，接入无线通信模块，实现与EPA网络的无线通信，通过该模块能够监测无线现场设备的运行情况及相关参数。
　　在整个EPA通信协议栈网络层和传输层接收报文处理流程中。NIOSⅡ处理器复位后初始化UC/OS Ⅱ操作系统、网络接口、堆栈以及定时器等外围设备接口。从外部存储器FLASH中获取IP地址和MAC地址等网络信息。当收到的报文IP地址和MAC地址都是本机地址时，把报文以LWIP所要求的特殊结构体形式存储在接收缓冲区中，然后发送到EPA协议栈中进行处理，当检查到UDP端*是0x88BC时，将报文交由EPA应用层处理模块进行处理。
　　其部分报文处理程序如下：
　　/*报文发送*/
　　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";
　　/*设置远程主机的IP地址*/
　　remote_addr.addr = htonl（0x8080023D）；
　　/*设置本地主机的IP地址*/
　　local_addr.addr = htonl（0x80800233）；
　　for（；；）{
　　/*建立一个新连接*/
　　conn = netconn_new（NETCONN_UDP）；
　　/*绑定本地IP地址和端**/
　　netconn_bind（conn,&local_addr,0x88BC）；
　　/*连接远程主机*/
　　netconn_connect（conn,&remote_addr,0x88BC）；
　　buf = netbuf_new（）；
　　/*建立任意的数据*/
　　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）； //释放
　　udp_pcb内存
　　pbuf_free（buf）；
　　OSTimeDlyHMSM（0,0,1,0）；
　　/* Main initializes lwIP, creates a single task and starts task scheduler. */
　　void ReceiveTask（void * pdata）{//该任务
　　和IP协议栈相关，该任务由
　　_sys_thread_new函数来创建
　　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）{
　　//关于netbuf的结构可以参看api.h文件，在该结构体中，成员p是指向pbuf的一个指针
　　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）；