基于FPGA的嵌入式以太网与Matlab通信系统设计

2011-02-18 12:22:23来源: 互联网

0 引言

近年来,随着信息技术的发展,网络化日加普遍,以太网被广泛应用到各个领域。例如在数据采集领域,一些小型监测设备需要增加网络实现远程数据传输的功能,只要那些设备上增加一个网络接口并实现了TCP/IP协议,就可以方便地接入到现有的网络中,完成远程传输数据的相关功能,所以小型设备的网络技术一直是大家关注的焦点。另一方面,随着单片FPGA的逻辑门数不断增大,人们开始考虑将整个嵌入式系统集成到单片FPGA来实现,于是2001年Altera第一次提出了可编程片上系统(SOPC)概念,并且推出了第一款嵌入式处理器软核Nios以及之后的第二代Nios II以及相应的开发环境,此后Xilinx也推出了MicroBlaze微处理器软核,之后,随着Altera的CycloneIII和Stratix IV以及Xilinx的Spartan6和Virtex6等一系列大容量FPGA的推出,Xilinx于2009年正式提出了目标平台设计并且推出了相应的软件ISE 11,至此,嵌入式系统真正开始走向了片上系统,自然,这中间也包括了以太网的嵌入式片上系统。

Matlab是美国MathWorks公司提供的商业数学仿真软件,其中Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具,是一种基于框图的设计环境,可以实现数据的仿真和处理,它提供了一种快速、直接明了的方式,用户可以实时看到系统的仿真结果并且进行相应的数据处理。基于以上事实,本文提出了基于FPGA的嵌入式以太网与Matlab通信系统的设计和研究,采用Xilinx公司的MicroBlaze嵌入式微处理器软核,利用它和相应外设IP核一起完成SOPC的设计并且完成与Simulink数据的传输,最后动态显示以太网传输的数据。

1 系统硬件平台设计

1.1 系统总体硬件的结构

在系统硬件结构中,考虑到系统复杂度和成本因素,我们选用了Xilinx公司的Spatan3A系列的XC3S700A作为主控制芯片,该芯片为Xilinx的Spartan系列的低端FPGA,采用了65nm技术,在集成度和性价比上都要优于先前Spartan系列的FPGA,系统外挂一块Micron公司的32M×16bits的DDR2芯片MT47H32M16作为外扩SDRAM,以及一片Numonyx公司的16Mb的SPI Flash M25P16作为数据存储器,而10/100Mb以太网我们采用单片PHY芯片加Xilinx的MAC软核来实现。该方案将物理层和MAC分开,将MAC用IP来实现,从而整个系统更加灵活。其中单片PHY芯片有BroadCom公司的BCM5221,Intel公司的LXT971A、LXT972A,SMSC公司的DM9000、LAN83C185等。这里我们采用SMSC公司的LAN83C185来实现物理层。

1.2 系统整体框图

虽然Matlab中可以采用相关命令创建一个TCP/IP的模块进行数据的接收和显示,但是与Simulink中TC/IP模块相比较为繁锁,因此选择用后者动态实时显示从以太网发送过来的数据,并可进行相应的处理。本设计主要是完成发送正弦函数数据并在Simulink的接收模块中显示正弦函数图形。系统的整体的框图如图l所示:


2 MicroBlaze的系统硬件配置和Simulink接收块的搭建

2.1 MicroBlaze和系统设计

Xilinx公司的MicroBlaze嵌入式软核是业界优秀的32位软处理器IP核之一,它支持CroConnect总线标准设计集合,具有兼容性和重复利用性,最精简的核只需要400个左右的Slice,MicroBlaze软核内部采用哈佛结构的32位指令和数据总线,便于各个外设和它们之间的信号传输及相应的控制,它有下面的几种互联总线:

(1)处理器本地总线(PLB)。可以将多个PLB主设备和PLB从设备连接到整个的PLB系统中。

(2)高速的本地存储器总线(LMB)。用来取RAM块的同步总线。

(3)XCL总线。是一个高性能的外部内存访问总线。

(4)FSL总线。用于点对点的单向通信总线。

使整个系统的软硬件设计,包括系统硬件平台的搭建,驱动程序的配置,Xilkernel操作系统内的核参数配置,软件库的设置,文件系统的生成及外设控制芯片接口配置都可以在EDK(Embedded Development Kit)内完成。EDK的整体开发流程如图2所示。


整个系统设计具体操作如下:

(1)在EDK的集成开发环境XPS(Xilinx Platform Studio)中,处理器功能单元,系统外围总线结构,终端外设以及相应的地址映射和默认的驱动等都可以在BSB(Base System Builder)中完成。在Microblaze系统的基本构建中其主要设置如下:使用Single Processor System系统,Local Memory为16k,系统时钟频率为62.5MHz,定时器和以太网中断必须连接到处理器的中断控制器上,另外,本设计还用到的GIOP、Ethernet MAC、DDR、SDRAM控制器等,其间用到的IP驱动,都是用xilinx提供IP的自带默认的相应驱动。

(2)最后XPS自动生成微处理器硬件规范MHS(Microprocessor Hardware Specification)和描述软件系统结构的微处理器软件规范MSS(Micro-processor Software Specification)文件以及一些相关的文件。这些文件都可以手动进行修改,从而是使整个系统更加的优化。

(3)生成的系统最后生成bit文件,把其文件下载到目标板子上。

2.2 Simulink接收模块的搭建

Simulink中TCP/IP中的接收模块,其终端的地址,端口的设置要与FPGA上的以太网的IP地址、端口的设置一致,这就为TCP/IP接收模块指定了要通信的地址即完成了接收模块TCP/IP的相关配置,也就完成了FPGA与Matlab中以太网通信的接收模块的搭建,在Simulink中,具体的模块设计如图3所示。


通信数据通过此模块可以较直观地用图形动态显示。

3 系统的软件平台及网络协议的实现

3.1 软件内核和协议

本设计主要选择了Xilinx公司的精简嵌入式操作系统Xilkemel,它是Xilinx提供的用于EDK系统的小型、模块化的嵌入式操作系统内核,它支持Microblaze核,与EDK形成的硬件系统无缝连接,具有可定制、CPU资源占用较小、运行速度快等特点,是MicroBlaze嵌入式软核的理想操作系统,其整体的开发流程如图4所示。


网络通讯协议我们采用TCP/IP协议,该通讯协议采用四层(应用层、传输层、互连网络层、网络接口层)层级结构,每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求,系统分为两部分实现:

第一部分为物理层和MAC层,本设计中用LAN83C185来实现物理层,MAC层由Xilinx公司的Ethernet MAC IP核,并作为整个MicroBlaze系统硬件的一部分在FPGA内实现。

第二部分是运输层和网际层,主要由软件代码实现。TCP/IP网络通信软件允许用户远程注册到另一个系统中,并从一个系统复制文件到另一个系统,虽然Xilkernel本身不带有文件处理系统和TCP/IP协议栈,但它与Xilinx公司的LwIP库具有良好的接口,加上系统支持库LibXilMFS可形成一个比较完整的嵌入式系统,其特点是内核配置功能都已集成到EDK工具中,使用简单、方便,内核启动静态创建线程,而动态分配内存,可加载或卸载不同功能模块来实现内核的高扩展性。

本设计主要采用LwIP3.OOb(Light weight Internet Protocol stack)协议模块套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈中,LwI-P3.00b提供二种API模式:Socket模式和RWA模式,由于Socket模式开发难度不大,只要启动Xemacif input thread线程,从中断响应的过程中接收数据包并转移到LwlP的tepip thread中就可以。所以基于方便考虑我们决定上层协议部分协议模块采用Socket模式,因此需在MSS文件里对LwIP进行例化(包括相应的LwIP参数设置)从而减少存储器利用量和代码编写。

3.2 网络通信程序的实现与设计

网络通信程序主要完成从超极终端发送数据,传到Simulink中的ICP/IP接收模块。下面是主要的网络通信程序:

Server_thread()函数是Xilkernel的第一个线程,初始化LwIP协议栈。

ServerAppThread()函数可完成MAC、IP、掩码以及网关的配置,并完成Socket应用。

以太网的配置如下:

当服务器程序开始运行时,主进程就创建一个套接字,



并通过bind函数绑定,用函数listen进行监听,之后用lwip_accept进行接收,然后用sys_thread_new启动进程,processGet和Process Command函数分析数据包的内容并应用web serber定义的相关的命令实现相关的应用,write函数实现数据的发送,完成Socket服务并把数据发送给客户端。

Simulink中用TCP/IP模块,remote address参数设定为(211、80、192、237),端口设定为80,即与IP4_ADDR(&ipaddr,211,80,l92,237)和address.sin port=htons(80)设为一致,这样就保证了接收与发送网络地址和端口的一致性,保证数据传输的可实现性。设计发送的数据为:t=0:0.25:10,Y=sin(2*pi/10*t),数据列表如下:

对应的Simulink接收模块的数据图形显示如图5所示。


由图5我们可以看出,接收到的数据和发送的数据基本一致。

4 结论

本文研究了TCP/IP通信协议在Xilinx公司FPGA上的实现,介绍了其软硬件的系统组成及原理,通过建立一个例子加以说明和应用这个设计平台,证明了此平台设计可行性,并且完成了FPGA与Matlab的通信,为数据的实时显示及实时控制提供了很好的平台和设计方法,本设计也完成了CPU软核设计的实现,其功能可根据需要进行定制,非常灵活,不但引入了软核处理器和嵌入式操作系统Xilkernel,而且应用了Lw-IP_300b栈,使用大量的IP核,这样大大降低了系统平台的复杂度,缩短了开发的周期,其软硬件部分的设计分离的设计架构,使得整个系统修改和重构更加方便,真正实现了所谓的片上系统。而本设计采用Matlab接收数据,并且可利用其强大的数据采集、处理、仿真、实时动态显示的功能来更好完成数据分析研究。


关键字:嵌入式  以太网  matlab  通信

编辑:小来 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0218/article_1857.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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