SOPC技术在嵌入式工业以太网中的应用

控制器的操作系统考虑到性价比以及现场控制需要，采用了uClinux。uClinux是一个完全符合GNU/GPL公约的操作系统，完全开放代码，其是专门为控制领域而裁减设计的嵌入式操作系统。
　　uClinux 从Linux 2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流Linux的绝大部分特性[5]。它是专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。适用于没差模电感有虚拟内存或内存管理单元（MMU）的处理器。它通常用于具有很少内存或Flash的嵌入式系统。
　　在GNU通用公共许可证（GNU GPL）的保证下，运行uClinux操作系统的用户可以使用几乎所有的Linux API函数，不会因为没有MMU而受到影响。由于uClinux在标准的Linux基础上进行了适当的裁剪和优化，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式Linux，虽然它的体积很小，uClinux仍然保留了Linux的大多数的优点:稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的API等。在开发应用程序之前，先将uClinux移植到NIOS处理器中来。
　　特别的为了应用到工业实时领域，本文进一步增强uClinux的实时性。
　　整个嵌入式工业以太网控制器具有以下特点:
　　控制器具有很高的灵活性。这是本文设计的以太网控制器的最大特点。由于微处理器采用Altera公司的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。
　　控电感生产制器具有很高的集成度。由于NIOS具有丰富的接口资源，而uClinux裁减后体积非常小，塑封电感而且具备以太网功能，这样可以很容易实现控制器的微型化、Internet化;
　　控制器具有很高的实时性。在设计硬件和软件时都充分考虑了系统的实时性。硬件设计中采用了高速的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”。
5 实际应用
　　针对某企业生产现场需要，将该型控制器应用到基于以一体电感太网的控制系统中。针对现场对网络可靠性参数的严格要求，在控制层网络改进传统以太网拓扑结构。采用环形网络拓扑，可以增加网络的可靠性。
　　而解决网络的实时性问题则采用了控制区域（Control Domain）概念，将控制现场分区，减少各个控制区资源竞争的情况。而控制区域之间的是通过交换式以太网交换机来通信。
　　每个控制区域（Control Domain）包含以太网交换机和嵌入式的工业以太网控制器，以及村田电感一些变送器和执行机构。如图2所示。该系统具有如下特点:

图2 设备层网络结构

（1） 灵活性。由于控制器采用了NIOS微处理器，能够灵活配置处理器的硬件资源，克服了接口数据传输速率的瓶颈，利用SOPC技术，系统硬件、软件的设计和调试都十分方便。
（2） 可靠性。控制系统的网络拓扑采用环形架构，大大增强了骨干网的可靠性。在控制网络层，通过划分控制区域，分散了控制风险;而在控制区域内部采用嵌入式的工业以太网控制器，集中控制整个控制区域，降低了控制成本。实践证明这种分散结合集中的控制结构是十分有效的。
（3） 实时性。通过划分控制区域，各个控制区域通过交换机连入骨干网，而每个控制区域内的变送和执行结构的信息都不会占用骨干网络资源。这样，每个控制区域的网络负载可以降到很低的程度（<5％）。提高了网络的实时性。嵌入式工业以太网控制器的硬件和软件设计均考虑了实时性要求，这样在网络层下进一步提升了系统的实时性。

6 结论
　　本文对嵌入式工业以太网控制器进行了开发研究，提出用SOPC技术来解决控制器硬件设计中存在的接口速率瓶颈问题，提高了控制器的实时性，应用实验结果表明该系统运行稳定可靠。

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