基于FPGA的工業(yè)實(shí)時(shí)通信模塊分析

黃昊

摘 要：在傳統(tǒng)工業(yè)實(shí)時(shí)通信模塊的設(shè)計(jì)中，采用的多是PLC編程的方式，以CAN總線作為擴(kuò)展總線，其通信速率無(wú)法滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大型應(yīng)用場(chǎng)合的需求，影響了信息的有效穿在。對(duì)于這種情況，本文提出了一種基于FPGA的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信模塊，立足標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，通過(guò)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)PLC主從站之間通信的周期性，可以顯著提升通信速率。

關(guān)鍵詞：FPGA；工業(yè)實(shí)時(shí)通信模塊；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）32-0066-02

1 概 述

在當(dāng)前的技術(shù)條件下，PLC內(nèi)部通信采用的多是分層結(jié)構(gòu)，將通信分為不同插箱之間的通信以及插箱內(nèi)部各個(gè)模塊之間的通信，而傳統(tǒng)PLC采用的是單層通信模式，在不同插箱之間利用CAN總線實(shí)現(xiàn)串聯(lián)通信，不僅通信距離短，而且通信的速率不高，通常僅能達(dá)到500 Kbps，在這種情況下，系統(tǒng)掃描一個(gè)模件所需的時(shí)間約為1.6 ms，信息傳輸存在著很大的滯后性。如果利用通訊速率100 Mbps的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，在同等條件下，完成所有模件掃描的時(shí)間也僅需0.8 ms，通信速率得到了極大的提升。因此，針對(duì)當(dāng)前CAN總線通信效率低下的問(wèn)題，可以結(jié)合FPGA技術(shù)，將其升級(jí)為工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，在提升通信速率的同時(shí)，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種復(fù)雜需求。

2 基于FPGA的工業(yè)實(shí)時(shí)通信模塊設(shè)計(jì)

FPGA，全稱(chēng)Field Programmable Gate Array，即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列，屬于一種比較特殊的半導(dǎo)體，在其中含有可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行編輯的元件，其在程序編輯方面具有設(shè)計(jì)周期短，便捷方便，修改簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)PGA相比較ASIC（專(zhuān)用集成短路）的響應(yīng)速度要慢，實(shí)現(xiàn)同樣的功能也需要更大的面積，不過(guò)其同樣具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)，如能夠?qū)崿F(xiàn)快速成品，成本更加低廉，可以對(duì)程序中存在的錯(cuò)誤進(jìn)行改正等?？紤]到通信接口模塊本身的連接的受控模塊較多，其各自的接口形式和通信協(xié)議存在著一定的區(qū)別，加上部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)于通信延時(shí)有著較高的要求，可以采用具備較強(qiáng)靈活性的FPGA技術(shù)，進(jìn)行工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信模塊的設(shè)計(jì)，需要從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行考慮[1]。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

主控芯片選擇Xilinx公司的Spartan-6XC6SLX45 FPGA，外部存儲(chǔ)器選擇DDR3 SRAM芯片MT41J64M16LA-187EIT以及Flash芯片25P64V6P。在網(wǎng)路芯片的選擇種，采用了100M單物理層芯片的方案，選擇PHY芯片DP8363SQ，以IP core在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)Ethernet MAC，與PHY芯片通過(guò)RMII接口連接在一起。

這里的Microblaze是基于Xilinx公司FPGA的微處理器IP核，采用RISC架構(gòu)以及哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令及數(shù)據(jù)總線，能夠?qū)Υ鎯?chǔ)在片上存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器中的程序進(jìn)行全速執(zhí)行，同時(shí)對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)。系統(tǒng)CPU設(shè)置有大量的外部設(shè)備，如SRAM、Flash、MAC等，系統(tǒng)為每一個(gè)設(shè)備分配了獨(dú)有的地質(zhì)，CPU對(duì)于各個(gè)設(shè)備的訪問(wèn)可以看做是相應(yīng)地址的操作過(guò)程。

以太網(wǎng)IP core AXI Ethernet Lite MAC支持IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，可以結(jié)合簡(jiǎn)化媒體獨(dú)立結(jié)構(gòu)，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PHY芯片連接，通過(guò)AXI4-Lite以及Microblaze實(shí)現(xiàn)相互之間的信息傳遞，支持10M乃至100 M的以太網(wǎng)通訊速率。IP核采用同步設(shè)計(jì)，為了確保以太網(wǎng)的通信速率能夠達(dá)到最大的100 Mbps，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率設(shè)置為50 Mbps。本系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭設(shè)以及軟件應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)都是在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具EDK中實(shí)現(xiàn)的，硬件平臺(tái)的搭設(shè)環(huán)境為XPS，軟件程度的開(kāi)發(fā)環(huán)境為SDK。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)據(jù)接收與發(fā)送

在通信模塊中，軟件設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)PHY芯片的初始化，確保其能夠?qū)σ蕴W(wǎng)接收中斷處理函數(shù)進(jìn)行定義，同時(shí)以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接收中斷的初始化。初始化主要是針對(duì)以太網(wǎng)MAC數(shù)據(jù)幀而言，在IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)據(jù)包的格式類(lèi)型，如圖1所示。

在系統(tǒng)中，以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)端為PHY_dv，在程序運(yùn)行時(shí)，會(huì)首先判斷PHY_dv是否置1，如果置1則可以進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的接收，接收完成后，MAC會(huì)自動(dòng)進(jìn)行自身目的地地址與數(shù)據(jù)幀目的地地址的對(duì)比，如果無(wú)法匹配，則地址無(wú)效，會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)全部丟失，重新接收；如果匹配，MAC會(huì)針對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行CRC計(jì)算，并且繼續(xù)與接收到的數(shù)據(jù)幀的幀校驗(yàn)序列FCS中的CRC進(jìn)行比對(duì)，若匹配，完成數(shù)據(jù)接收，若不匹配，表明FCS錯(cuò)誤，重新接收數(shù)據(jù)[2]。

MAC對(duì)于數(shù)據(jù)幀的發(fā)送主要是依照以太網(wǎng)CSMA/CD技術(shù)。

2.2.2 周期同步處理

在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中，數(shù)據(jù)發(fā)送采用的是CSMA/CD技術(shù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷不高時(shí)，很少發(fā)生沖突，基本上能夠滿足對(duì)于通信實(shí)時(shí)性的要求。但是，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，具有容量巨大、傳輸速率快、IO點(diǎn)眾多的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷通常都比較重，容易發(fā)生沖突問(wèn)題，從而造成網(wǎng)絡(luò)性能的下降。考慮到?jīng)_突和處理的隨機(jī)性以及網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)的不確定性，想要保證通信的實(shí)時(shí)性非常困難。

因此，在通信模塊的設(shè)計(jì)中，將定時(shí)器定義在頂層應(yīng)用程序，從主站定期向從站發(fā)送數(shù)據(jù)，從站在接收到數(shù)據(jù)后，立即向主站回發(fā)數(shù)據(jù)。如果主站在向從站發(fā)送數(shù)據(jù)局后，在設(shè)定好的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到從站回發(fā)的數(shù)據(jù)，則此次數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，產(chǎn)生錯(cuò)誤，主站會(huì)在將錯(cuò)誤的計(jì)數(shù)器加8后，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸、如果其中一個(gè)從站出現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)發(fā)送錯(cuò)誤，在不斷的累計(jì)錯(cuò)誤會(huì)移出，主站就可以判定從站斷線，發(fā)送相應(yīng)的警報(bào)信息，通知工作人員進(jìn)行處理。

2.2.3 以太網(wǎng)收發(fā)測(cè)試

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀是以一種字節(jié)增序的方式存儲(chǔ)在TX buffer中，AXI Ethernet Lite MAC接受到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀同樣會(huì)以增序的方式存儲(chǔ)其中。數(shù)據(jù)發(fā)送的主要程序如下：

int main（）

{

Initialize（）；

u32 i；

while（1）

{

for（i=0；i<1000；i++）

{

EmacRegisterWrite（0x07fc，0x01）；

while（EmacRegisterRead（0x07fc）﹠（0x01））{}

}

}

return 0；

}

寄存器0x07FC是發(fā)送控制寄存器，上述程序中的EmacRegisterWrite（0x07fc，0x01）所表述的韓式是對(duì)0x07FC的第0位置1進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成后，該位會(huì)自動(dòng)置1。0x07FC在不同位的功能，見(jiàn)表1。

在程序中，對(duì)于MAC寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)0a0a0a……即需要通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，可以對(duì)其進(jìn)行任意賦值。這里將其賦值為1 038，包含了數(shù)據(jù)幀的頭尾，實(shí)際數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1 024.在程序中，對(duì)于目標(biāo)地址的賦值為ff-ff-ff-ff-ff-ff-ff，源地址賦值00-00-5E-00-00-00。在FPGA中下載程序，結(jié)合wireshark抓包工具，就可以對(duì)發(fā)出的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行查看。

當(dāng)PHY接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，會(huì)立即回發(fā)五幀數(shù)據(jù)，這里的寄存器0x17FC即為接收控制寄存器，其在不同位的功能如下：

0位即狀態(tài)位，0-接收寄存器就緒，1-數(shù)據(jù)正在接收，接收完成自動(dòng)清零；1-2位屬于保留位，對(duì)接收的信息進(jìn)行保留；3位為中斷使能，0-禁止接收中斷，1-允許接收中斷；4-31位同樣為保留位。

對(duì)程序進(jìn)行編輯制定，同樣結(jié)合wireshark抓包工具，可以看到接收一幀數(shù)據(jù)同時(shí)回發(fā)五幀數(shù)據(jù)的過(guò)程[3]。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，本文基于FPGA，針對(duì)工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，利用以太網(wǎng)通信來(lái)取代傳統(tǒng)PLC中的擴(kuò)展總線CAN網(wǎng)，能夠極大的提升PLC的通信速率，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于通信實(shí)時(shí)性的需求。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本文提出的方案具有良好的實(shí)踐效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張偉.基于FPGA的通信接口模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技，2012，25（7）：

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水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2014，38（5）：62-66.

[3] 賀永鵬，張向前，張凱，等.一種基于FPGA的嵌入式實(shí)時(shí)以太網(wǎng)[J].電氣 傳動(dòng)，2015，45（7）：70-73.