基于FPGA的SoC和嵌入式系統的遠程監控系統

　　3 系統的軟件結構

　　為了實現利用Intemet進行遠程數據傳輸，本系統在NiosII上移植了MicroC／OS2實時操作系統和LWIP(輕量級IP協議棧)進而在其上開發信息采集軟件。

　　3．1 MicroC／OS2及LWIP的移植

　　此部分工作主要是針對本系統的特定硬件進行移植并編寫如溫濕度傳感器SHT75、總量計數IP核等所需的各種驅動，因此深入了解軟件的各層結構和細節是移植成功的關鍵。

　　HAL即硬件抽象層，是NiosII開發套件的一部分，由ALTERA公司提供，它封裝了系統中硬件操作的相關細節，驅動程序也作為它的一部分。HAL共抽象了六種器件模型，包括字符模式器件、定時器件、文件子系統、以太網器件、DMA器件和Flash器件，并為每一類器件提供一系列的統一的初始化函數和訪問函數接口，通過這種方式，HAL向上一層提供了一個類POSIX的API接口，即硬件抽象層應用編程界面。

　　針對NiosII的軟件開發，其實是建立在HAL之上，而非直接面向NiosII硬件本身。本系統測量模塊所對應的各個接口IP核均屬于字符模式器件，因此驅動程序需按HAL中字符模式器件模型來進行編寫。

　　MicroC／OS2是一個適合于小型、微控制器的可剝奪實時操作系統。它支持56個用戶任務，其內核為占先式，支持信號量、郵箱、消息隊列等多種常用的進程間通信機制，通過它為應用程序提供所需的多任務環境。由于MicroC／OS2自身并沒帶有協議棧，因此需要移植一個TCP／IP協議棧LWIP，從而向上層提供了一個類似UNIX套接字的接口。LWIP支持以下一些網絡協議：IP、ARP、ICMF、UDP、TCP。該協議棧需要20KB的代碼存儲空間及4KB的數據存儲空問，同時在構建系統時還需要添加一個專供其使用的定時器。

　　圖4為分析得到的系統軟件的啟動流程。在該流程圖中，alt_sys_init()用于初始化系統中的設備，在這個過程中會調用設備驅動程序提供的初始化程序。Lwip_stack_init()用于初始化TCP／IP協議棧。而tcpip_init_done()是一個在協議棧初始化后被調用的函數，通信服務器的任務也在其中創建。有一點需要注意的是。所有基于LWIP的任務，都應該使用sys_thread_new()函數來創建，而不是直接使用OSTaskCreate()。最后，所有的初始化都準備好后，即調用OSStart()來啟動RTOS進行任務調度。

　　3．2 信息采集程序的設計

　　本模塊作為一個任務，運行于MicroC／OS2實時操作系統之上，完成對各個探測子系統基于策略或遠程指令的測量控制，獲取的信息被保存到指定的內存緩沖區，并根據要求將結果返回到遠程主機上。對于溫濕度測量，由于SHT75傳感器的濕度輸出呈一定的非線性，為了獲取準確數據，需要根據給定的公式對所獲得的數據進行修正，而溫度輸出則不需進行補償，將數字輸出轉換為實際溫度值即可，詳見SHT75數據手冊。對于總量計數的處理，本模塊只是簡單地將數據打包后交給通信服務器傳回遠程主機。

　　3．3 通信服務器

　　本任務通過sys_thread_new()函數創建，作為一個服務器監聽約定的端口，等待遠程主機的連接，提取遠程主機的命令，通過消息隊列將所獲得的命令發送到信息采集任務；同時也根據要求將信息采集任務獲得的各種數據分類發回遠程主機。

　　LWP提供了標準的Berkeley套接字編程界面，這個界面提供了三種類型的套接字，在這里使用了流式套接字，這是一個面向連接的可靠的數據傳輸服務，也就是說使用的是TCP協議。通常，服務器接收到并發服務請求，要激活一新進程來處理這個客戶請求，但出于系統資源和簡化設計的考慮，在這里服務器同一時刻只能接受一個連接請求，而這種簡化事實上也是可以滿足設計需要的。

　　本系統應用基于FPGA的片上系統技術和嵌入式系統技術實現了智能核儀器與互聯網的連接，同時也實現了硬件上的部分可重構，根據需要增加或刪除FPGA中的外設IP核即可實現系統在功能和性能上的改變。目前本系統已經在放射性樣品儲藏室中應用，其功能和性能均滿足實際環境的要求。由于本系統的網絡平臺被設計成一個相對獨立的子系統，因此只需開發特定的探測子系統即可應用于各種相應的需要遠程監控的領域。