基于SOPC技能的核信息长途征求体系

　　先容了一种利用互联网举行核环境信息长途征求的体系。叙述了该体系的成果和应用场合，细致阐发了以NiosII为内核构成的SOPc(可编程片上体系)的硬件结会商用于并行丈量的总量计数IP核的计划，末了给出了软件体系的框架、MicroC/0S2和LWIP针对目标体系举行移植所需的相干知识点及丈量应用步伐。

　　 当今对核环境信息的监测具有紧张的社会心义。传统的要领是事恋职员举行现场操纵以获取核数据。但这种要领存在环境适应本领差、丈量周期短等诸多弊端，使得应用场合受到很大限定。比方，在放射性样品蕴藏室中，需对α及γ辐射总量举行长期监测与控制。由于环境恶劣，事恋职员无法长期停顿在现场，因此研制一种具有长途信息征求本领的体系具有很强的实际意义。

　　Internet现已包围环球，通过Internet可以方便地发送信息，因此，本体系驻足于利用Intemet实现核环境信息的长途征求。在实现上，采取了基于SOPC技能的嵌入式办理方案，通过在FPGA中嵌入NioslI软核处理惩罚器和所需外设的IP Core(硅知识产权核)，然后再配备相应的网络接口，实现利用互联网举行信息的传输。

    　别的，通过开辟用于控制信息征求子体系的IP核，利用FPGA固有的硬件并行特性，本体系做到了对多个信息源举行真正意义上的并行监控，即在举行α射线探测的同时也可以举行γ射线和温湿度等信息的获取。

　　1 体系硬件计划及实现
   

　　在本体系的计划中，硬件上为了做到通用性，在布局上分别为两部分，即用于完成现场监控和数据长途传输的通用网络平台和用于完成温湿度、液位、α及γ辐射总量丈量等事变的环境信息征求子体系。其布局分别如图l、图2所示。两个子体系通过一条40芯扁平电缆连接。在软件上，思量到利用互联网举行长途数据传输的巨大性，利用嵌入式操纵体系和TCP／IP协议栈是肯定的选择，因此硬件上也围绕这个关键点举行计划。

　　1．1 Niosii软核CPU
   

　　 NiosII软核CPU是A137ERA公司推出的一种通用32位RISC嵌入式处理惩罚器，它分外为可编程逻辑举行了优化计划，并配备有成果美满的开辟套件，包括C/C++编译器、集成开辟环境(IDE)、JTAG调试器等，是ALTERA公司可编程单芯片体系办理方案的内核。

  　  作为一个软核处理惩罚器，NiosII提供了可配置的硬件及软件调试特性，包括根本的JTAG的运行控制(运行、克制、单步、存储器等)、硬件断点、数据触发、片内和片外跟踪、嵌入式逻辑阐发仪。这些强大的东西可以在开辟阶段利用，调试通过后便可以去失，节流资源。NiosII处理惩罚器还提供了高、中、低三种差别性能的内核，通过与ALTERA提供的高出60种IP核(UART、时钟、DMA、SDRAM、并行I／0等)连合利用，计划师可以方便地针对特定的应用创建一个在处理惩罚器、外设、存储器和I／O接口方面都美满的方案。除此以外，NiosII另有很多其他良好的特性，如指令定制、硬件加快器等。

　　1．2 网络接口单位
   

　　 以太网接口芯片采取了SMSC公司专门用于嵌入式产品的LAN91C111快速以太网控制器。该芯片内部同时集成了以太网介质访问控制器(MAC)及物理层收发器(PHY)，支持10／100M全双工传输模式、主动协商及流控等成果。其主机接口具有同步总线、异步总线等多种事变模式，可以方便地与种种体系的CPU连接。本计划中利用了异步总线接口模式，并与FLASH共用地点线和数据线，通过FPGA上的适配模块连接到Avalon片内总线。

　　1．3 存储器单位
   

　　 由于存储操纵体系内核、应用步伐代码、步伐数据等的必要，本体系利用了一片型号为AM29LV320D的FLASH芯片。该芯片由AMD公司推出，容量为4MB，支持CFI接口，其与AvMon总线的连接必要FPGA内部的总线适配模块举行时序立室。SDRAM用于存储运行期的步伐代码和数据，HY57V563220B(L)T为当代公司推出的容量达16MB的SDRAM，由于该芯片端口宽度可达32位，因此体系中利用单芯片即可。SDRAM读写时序比较巨大，必要在FPGA中集成专用的SDRAM控制器IP核与其对接。

　　2 总量计数IP核
   

　　如图2所示，α或γ探测器得到的信号经过两级放大器串接构成的线性脉冲放大器放大后送至以LM393为内核的甄别电路举行比较，滤失噪声，输出矩形的脉冲信号。对付这个信号的处理惩罚，以MCU(微控制器)为内核的传统核探测仪只能通过MCU上已有的硬件资源(如定时器)连合软件来实现。

　　这种要接收制于硬件资源和MCU的速率，难以对多通道信号源举行并行处理惩罚。本体系中，总量计数IP核便是针对此题目而专门计划的硬件，利用VHDL语言计划实现，其内部接口切合Avalon片内总线从配置接口范例，可以方便地挂接在Avalon总线上，作为NiosII软核cPu的一个专用外设。

    　总量计数IP核是网络平台FPGA中子板接口的一部分，其布局如图3所示。α辐射总量丈量与γ辐射总量丈量原理雷同，下面以α丈量为例先容其事变原理。时钟源模块通过对主时钟分频孕育产生一个O．1秒的脉冲信号，作为定时器计时的基准源。定时器则根据下令寄存器传过来的征求时间孕育产生所需的定时信息。

　　根据定时器的定时信息和下令寄存器的下令，控制计数器对α丈量模块传过来的脉冲信号举行计数，从而得到辐射总量的计数值，该计数值被存进FIFO中；而在另一侧，NiosIICPU通过Avalon总线向IP核的下令寄存器写入相应的下令字实现对各通道的控制，比方启动总量计数、封闭总量计数、设置征求时间及清空FIFO等。

　　值得细致的是，来自甄别电路的α或γ计数脉冲是与本IP核事变时钟异步的信号，而计数器的值终极是必要存人。FIF0的，因此对α或γ计数脉冲都以主时钟举行二次锁存并整形，使每个异步计数脉冲孕育产生一个只连续一个主时钟周期的同步脉冲。以该脉冲举行计数，不但办理了异步信号同步的题目，并且有效地滤除了滋扰脉冲，使计敦值正确。

　　3 体系的软件布局
   

　　 为了实现利用Intemet举行长途数据传输，本体系在NiosII上移植了MicroC／OS2及时操纵体系和LWIP(轻量级IP协议栈)进而在其上开辟信息征求软件。

　　3．1 MicroC／OS2及LWIP的移植
   

　　此部分事变重要是针对本体系的特定硬件举行移植并编写如温湿度传感器SHT75、总量计数IP核等所需的种种驱动，因此深入相识软件的各层结会商细节是移植告成的关键。

    　HAL即硬件抽象层，是NiosII开辟套件的一部分，由ALTERA公司提供，它封装了体系中硬件操纵的相干细节，驱动步伐也作为它的一部分。HAL共抽象了六种器件模型，包括字符模式器件、定时器件、文件子体系、以太网器件、DMA器件和Flash器件，并为每一类器件提供一系列的同一的初始化函数和访问函数接口，通过这种方法，HAL向上一层提供了一个类POSIX的API接口，即硬件抽象层应用编程界面。

　　针对NiosII的软件开辟，着实是创建在HAL之上，而非直接面向NiosII硬件本身。本体系丈量模块所映射的各个接口IP核均属于字符模式器件，因此驱动步伐需按HAL中字符模式器件模型来举行编写。

   　 MicroC／OS2是一个得当于小型、微控制器的可剥夺及时操纵体系。它支持56个用户任务，其内核为占先式，支持信号量、邮箱、消息行列步队等多种常用的进程间通讯机制，通过它为应用步伐提供所需的多任务环境。由于MicroC／OS2自身并没带有协议栈，因此必要移植一个TCP／IP协议栈LWIP，从而向上层提供了一个雷同UNIX套接字的接口。LWIP支持以下一些网络协议：IP、ARP、ICMF、UDP、TCP。该协议栈必要20KB的代码存储空间及4KB的数据存储空问，同时在构建体系时还必要添加一个专供其利用的定时器。

    　图4为阐发得到的体系软件的启动流程。在该流程图中，alt_sys_init()用于初始化体系中的配置，在这个进程中会调用配置驱动步伐提供的初始化步伐。Lwip_stack_init()用于初始化TCP／IP协议栈。而tcpip_init_done()是一个在协议栈初始化后被调用的函数，通讯办事器的任务也在此中创建。有一点必要细致的是。全部基于LWIP的任务，都应该利用sys_thread_new()函数来创建，而不是直接利用OSTaskCreate()。末了，全部的初始化都准备好后，即调用OSStart()来启动RTOS举行任务调理。

　　3．2 信息征求步伐的计划
   

　　本模块作为一个任务，运行于MicroC／OS2及时操纵体系之上，完成对各个探测子体系基于战略或长途指令的丈量控制，获取的信息被生存到指定的内存缓冲区，并根据请求将结果返回到长途主机上。对付温湿度丈量，由于SHT75传感器的湿度输出呈肯定的非线性，为了获取正确数据，必要根据给定的公式对所得到的数据举行修正，而温度输出则不需举行补偿，将数字输出转换为实际温度值即可，详见SHT75数据手册。对付总量计数的处理惩罚，本模块只是大略地将数据打包后交给通讯办事器传回长途主机。

　　3．3 通讯办事器
   

　　本任务通过sys_thread_new()函数创建，作为一个办事器监听约定的端口，等待长途主机的连接，提取长途主机的下令，通过消息行列步队将所得到的下令发送到信息征求任务；同时也根据请求将信息征求任务得到的种种数据分类发回长途主机。

　　LWP提供了标准的Berkeley套接字编程界面，这个界面提供了三种范例的套接字，在这里利用了流式套接字，这是一个面向连接的可靠的数据传输办事，也便是说利用的是TCP协议。通常，办事器吸取到并发办事恳求，要激活一新进程来处理惩罚这个客户恳求，但出于体系资源和简化计划的思量，在这里办事器同临时候只能担当一个连接恳求，而这种简化究竟上也是可以餍足计划必要的。

    　本体系应用基于FPGA的片上体系技能和嵌入式体系技能实现了智能核仪器与互联网的连接，同时也实现了硬件上的部分可重构，根据必要增长或删除FPGA中的外设IP核即可实现体系在成果和性能上的变化。如今本体系已经在放射性样品蕴藏室中应用，其成果和性能均餍足实际环境的请求。由于本体系的网络平台被计划成一个相对独立的子体系，因此只需开辟特定的探测子体系即可应用于种种相应的必要长途监控的范畴。