基于SmartFusion2的SoC的数据采集与交互系统应用设计

Internet的快速发展和成功促进了以太网(Ethernet)技术的发展和应用的扩展，所涉及的领域十分广泛，如传统的工业控制、信息家电、智能家居、安全监控、楼宇自动化、医疗、环境监测等。大多数的数据采集设备的通信接口符合UART 通信标准。这种通信方式的数据传输半径十分有限，并不能满足远距离传输的需求，并且不能接入Internet.因此数据的交互接入Internet 就显得非常重要了。

1 系统的总体方案及各主要模块设计

系统以Microsemi(Actel)公司的基于FLASH 架构的SoC FPGA 产品SmartFusion2器件为核心[1].系统通过Fabric架构实现多路UART对外相应数据进行采集，进行并/串转换写入Fabric 的双端口RAM.SmartFu-

sion2的ARM Cortex-M3子系统经过AHB/APB总线矩阵以AHB/APB 方式访问Fabric 的RAM,将得到的数据经过Ethernet以网页的形式在PC上显示。反之，以同样的路径将主控的指令传输到外部的终端设备。PC机端以网页形式实现数据交互。网页存放于SmartFusion2 内部FLASH,内核Cortex-M3 基于实时操作系统(FreeR-

TOS)管理任务，IP 采用静态方式，内核Cortex-M3 与Fabric采用AHB方式通信[2-3].系统设计结构框图如图1所示。

系统硬件的设计可分为三个主要模块，分别为PHY 物理层模块，SoC 的Cortex-M3 内核及FPGA 系统，UART模块的数据采集系统。

1.1 PHY模块

PHY 即物理层(Physical Layer)。物理层协议可定义电气信号标准、连线的状态、时钟信号的要求、数据编码的格式和数据传输所用的连接器等。物理层通过一个定义好的接口与数据链路层进行通信。比如MAC 可以利用标准的介质无关性接口( MII接口)与PHY进行数据交换通信。PHY还有个重要的功能就是实现以太网的CSMA/CD 部分功能，这是硬件上实现的。它可以检测到网络链路上是否有数据正在传送，如果有数据在传送中则进行等待，当检测到网络空闲，就再等待一定的时间(不同的PHY会有不同)后对数据进行传送。倘若两块网卡碰巧是同时发送数据，这将造成冲突，这时PHY 内部的冲突检测结构可以检测到冲突的发生，然后两边各自等待一定的时间进行重发数据。

PHY 的电路图连接图如图2 所示。KSZ8051 采用MII与SmartFusion2相连，由于MII兼容RMII接口，因此程序也可配置为RMII模式。Management采用2个引脚连接，分别为MDC 和MDIO,MII 的时钟由PHYKSZ8051 提供，KSZ8051 的时钟来自外部25 MHz 晶振。媒体连接采用RJ 45,兼容10 Mb/s和100 Mb/s.

1.2 SoC中的Cortex-M3模块

系统使用Cortex-M3 中的MAC 模块，如图3 所示。

通过AHB控制Ethernet MAC模块，对于MAC的配置是使用其内部的寄存器，可以配置不同的接口模式，不同的速度。本系统配置为MII接口，100 Mb/s速度。

MAC(Media Access Control,媒体访问控制子层协议)，主要负责控制和连接物理层。在发送数据的时候，MAC 协议可以事先判断现在是否可以发送数据，如果可以发送则将给数据加上一些控制信息，最终将数据及附带的控制信息以规定的格式发送到物理层;在接收数据的时候，MAC 协议首先判断输入的信息是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至逻辑链路层(LLC)层。以太网MAC 协议由IEEE 802.3以太网标准定义。

PHY 与MAC 的接口方式有多种，如：

MII,RMII,SMII,SSMII,GMII,SGMII,TBI等。目前常见的PHY都提供标准的MII接口，RMII信号是对PHY内部的MII的信号进行编码和解码，这就是说支持MII接口的PHY 内部都含有RMII 信号，也就是支持RMII接口。具体使用何种接口的PHY则必须根据MAC 芯片对应的功能和接口的标准来决定。

采用FreeRTOS 实时操作系统管理整个系统的运行。FreeRTOS使用Cortex-M3内核的定时器以10 ms时间片进行任务的调度和切换。创建WebServer进程和网页进行通信，网页编辑语言HTML 是不需要编译的，因此将需要显示的数据全部发送给网页。这些数据存储在FLASH中，目前测试是存储在片内FLASH,网页发来的控制数据进行实时的处理。网页的数据需要用LwIP协议栈进行打包，LwIP 协议栈是把所有的协议封装到一个单一的过程(进程)中，从而与操作系统内核分开。应用程序可能也驻留在LwIP 处理过程中，或者在单独的过程中。TCP/IP栈和应用程序之间的通信可以通过函数调用实现，也可以通过更为抽象的API[4-5].本设计的应用层使用常用的IPv4 协议，DHCP和静态IP 都进行测试，传输层和网络层使用TCP/IP.

打包之后的需要介质层MAC 进行处理，此MAC 为Cor-

tex-M3 内核自带的，支持多种MAC 接口，本设计采用MII接口，所采用的PHY芯片也是MII接口，采用Micrel公司的KSZ8051,支持MII、RMII