引 言
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 接口，10 Mb/s 和100Mb/s传输速度，设计时采用100 Mb/s传输。
网页的数据需要实时更新，设计网页每隔500 ms发一次更新的命令，Cortex- M3再将更新的数据发送给网页。而这些数据来自APB3上，Cortex-M3通过FIC_0和APB3 进行双向通信，从而发送和接收数据。FPGA中Fabric 和APB3 进行双向通信，数据存储在双端口SRAM 中，多路UART 和SRAM 进行双向通信。SRAM在系统起缓存的作用，用来解决两端读写速度的不同。
而对于UART的数据也定义了协议，这些协议是区分数据的格式和内容。对于UART的个数可以进行增加，系统UART的同步使用FPGA硬件实现，不受个数的限制。
1.3 FPGA的UART模块
本系统的主要功能是UART数据的采集与交互，使用网页进行人机交换，实现数据的实时更新和控制，并且把采样点的采样时间也传输过去，使用户知道数据的具体时间，便于以后的查看。
在本设计中需要在SmartFusion2片内的FPGA部分设计多路串口数据采集与存储的控制器，实现对终端的多路串口数据进行采集。使用的多路串口数据采集方法是在SmartFusion2片内的FPGA中设计一个UART控制器去采集多路数据[6].控制器并不完成串转并控制，而是实时监测多路串口数据状态，并将多路串行数据实时切换送入RAM控制器，串行的数据经过RAM控制器串行的进入RAM中去。如图4所示。
当多路串口中任何一路，任何时候到来数据的时候，UART 控制器都能感知这次串行数据，并开通相应的信道，将某一路的串口数据送到RAM 控制器。然后RAM 控制器将该信道的串行数据写入RAM 中。这样就可以完成对多路串口数据的采集工作。
在该方案中，需要在SmartFusion2 片上的FPGA 内设计一个UART控制器作为查询机制中的主机，各个终端串口作为从机，提供串口数据。主机会定时的在SEL总线上发出从机的片选信号，用于选通从机设备。当从机被选中之后，从机自己会做出判断，如果该从机有数据需要发送，则该从机立刻将串行的数据发出。如果从机没有数据需要发送，则从机对该选择信号SEL不做任何反应，定时时间到，主机会自动的去选通下一路从机，从机工作原理与之类似。这样的做法同样可以完成对多路串口数据的采集工作。
2 系统软件设计
本设计采用FreeRTOS操作系统，通过创建Web-
Server进程实现数据的交互。在初始化完成后，执行WebServer进程，WebServer进程发送网页的数据、更新网页的数据、得到采集的数据。而关于以太网的协议则使用LwIP协议栈实现。对于硬件层则使用Cor-
tex-M3内部的MAC和外部的PHY进行传输。实现物理层的传输[7].因此本设计的思路是发送接收数据给网页和接收发送APB3上对应的地址的数据。将UART的数据格式和网页HTTP数据格式互换。
软件设计框图如图5 所示，WebServer 进程和网页进行通信，通信的协议采用LwIP 协议，对于LwIP 协议使用其中的IPv4应用层，使用TCP/IP 传输，DHCP 动态获取IP,数据链路层使用内部的MAC,采用100 Mb/s的MII接口和PHY通信，PHY在物理层上和PC机通信[8].
本文关键字：单片机 传感-检测-采集技术，电子知识资料 - 传感-检测-采集技术
