把网络引进嵌入式控制系统----微型单板计算机加软件可显著减少联网控制系统的复杂性

    OEM厂商把强大的网络功能引进到嵌入式应用系统中。现在，自动装配线的监控人员可以坐在台式计算机前面，通过Web浏览器，监控和调整总装线上的每一个设备部件；医生则可以通过Web浏览器把一系列上网诊断设备的数据调集在一起，进行综合分析。

    许多OEM厂家对产品上网有些顾虑，怕拖延产品上市时间、怕需要一笔可观的起动资金、怕会有长远的维修费用。Bright Start Engineering公司率先实现了一项既简单、价格又不贵的上网技术。这就是集软硬件和必要的开发环境于一身的垂直式网络引擎，我们叫ipEngine。

    对于多种控制应用系统，ipEngine可以作为控制器使用。ipEngine用FPGA构成虚拟接口，可动态地配置内部功能和外部接口，以适应各种用户的应用需要。图1给出了ipEngine在生产厂中的应用示例。作为混合罐的控制器，ipEngine以M型模块方式装在混合罐主接口电子线路板上。它和传感器相连以测量温度、压力，与执行机构相连以控制转动部分的工作和速度。ipEngine板上的软件完成闭环控制所需的任一功能，板上嵌入的Web服务器支持在intranet或Intenet网上的任意地方，都可通过浏览器对设备进行监视和控制。为防止对设备进行非授权的访问，Web网页设有口令字，保证Web网服务的安全。

    IpEngine还可提供对原有的控制系统提供上网能力。譬如，对于图1中的焊接机器人，ipEngine安装在原有的控制系统内。有的控制系统多数都有标准总线接口。将ipEngine上的FPGA配置成对应的标准总线协议，如PC机的ISA、PCMCIA或VME总线等。ipEngine可经总线与已有控制系统相连，虽然软件的闭环控制部分用不着，但是它却担当起焊接机器人已存在的接口协议与Internet网之间的网关作用。

    与ipEngine硬件相配套的有两种预集成的、不需付版权费的操作系统。一个是实时的基于POSIX的网络操作系统；一个是Linux嵌入版本。两个操作系统都支持完备的TCP/IP连网和Web服务器。

结构

    图2是ipEngine的硬件结构图。微处理器是Motorola生产的 嵌入式MPC823型PowerPC。之所以选MPC823是因为它有丰富的外围接口，包括Ethernet、USB、和I2C，还有两个串行口和一个LCD控制器。MPC823有适合于电池供电片上的许多低功耗工作模式。ipEngine板上有16MB DRAM，2MB FLASH（快闪）存储器，使应用软件足以从网上下载，或存于FLASH。板上有专门的开关电源，除自用外还可以向用户的电子电路供电。开关电源的输入为5~18V的单一直流电源。

虚拟接口

    ipEngine板上采用由FPGA构成的介于MPC823和用户电子电路之间的虚拟接口。FPGA选用Altera公司的EPF6016，具有1300个用户可配置的触发器。因为FPGA的配置数据每次上电要重装一次，或运行中进行配置，重装约需10ms。虚拟接口的外引接插件有132引脚，其中82引脚接FPGA，其余接时钟、电源和MPC823的外围功能。另有128K×16位高速同步SRAM挂在FPGA上，作为虚拟接口的高速缓冲。FPGA中有专门为MPC823和FPGA访问SRAM时所需的仲裁电路。SRAM也用做高速同步I/O与处理器内核之间的缓冲，和存放输出波形的查表数据。板上的锁相环电路能合成任意频率的时钟信号，为PowerPC提供片上波特率信号源和FPGA所需的低时滞时钟，还留有一路经虚拟接口的插头方便用户的使用。

传感器及执行机构接口

    ipEngine提供的典型I/O接口有：串行I/O，并行总线及I/O，波形输入/输出。见图3。

    串行I/O 对于串行设备的同步  （如AD/DA变换器）使用内部移位寄存器加上一些控制逻辑，因此，串行模拟变换器可由FPGA上8/16位寄存器的读和写来操作。现在MPC823用的是查询方式，将来可以用中断或DMA方式。典型的同步串行口大约耗用20~30个触发器。

    并行I/O及总线  并行AD/DA变换器及分立的I/O设备的接口FPGA的寄存器来实现。复杂的双向存储器接口和处理器总线式接口也由FPGA的内部逻辑来实现。

    波形输入

    主要用于输入波形的测量和比较，如脉冲的频率、脉宽和多路脉冲的相位等。它们用输入波形对内部的计数器进行门控或钟控来实现。

    波形输出

    主要是PWM驱动和控制步进马达等的输出。它们用计数器、寄存器、比较器或方向控制电路来实现。用更复杂的逻辑还可实现加速和制动输出。

虚拟接口的讨论

    以FPGA为基础的虚拟接口能省去连接用户传感器和执行机构等的附加硬件，可节省开发调试的时间。因为FPGA的各种配置软件可以事前开发或更新，使用时可在现场升级。 但是虚拟接口的缺点是，虽然可向用户硬件提供灵活的接口，但缺少工业标准总线（即PC/104和VME），而不能为现成的标准I/O卡提供接口。现BSE公司完成了FPGA上的ISA总线接口，以及PC/104模板。虽然FPGA可以实现很多复杂的功能，但是用户要花很多时间去开发。为此，BSE公司打算提供上千种预先编辑好的fpgaWare库，其中包括标准的内部外设和外部接口，fpgaWare库可通过自动处理向用户提供。

操作系统 

    BSE公司首选的是自己的pKernel实时操作系统，pKernel提供POSIX操作，以及上网应用的开发环境。它集成了TCP/IP网络协议和Apache Web server嵌入式版本。第二个选用的操作系统是Linux嵌入式版本。ipEngine上装有Linux全部内核和网络实用程序，但节省了几百兆的硬盘，用起来还是方便的。除上述Linux内核和实用程序外，ipEngine的板上闪存还装有Apache Web server，Java虚拟机等，存储空间最后还有剩余。

    BSE能提供嵌入式Linux和pKernel环境下的开发工具套件。还有开发者立即可用的硬件和软件，它们有：ipEngine板、电源、PowerPC成套交叉编译工具、Linux或pKernel、机箱、文件和技术支持等。