把網絡引進嵌入式控制系統----微型單板計算機加軟件可顯著減少聯網控制系統的復雜性

OEM廠商把強大的網絡功能引進到嵌入式應用系統中。現在，自動裝配線的監控人員可以坐在臺式計算機前面，通過Web瀏覽器，監控和調整總裝線上的每一個設備部件；醫生則可以通過Web瀏覽器把一系列上網診斷設備的數據調集在一起，進行綜合分析。

許多OEM廠家對產品上網有些顧慮，怕拖延產品上市時間、怕需要一筆可觀的起動資金、怕會有長遠的維修費用。Bright Start Engineering公司率先實現了一項既簡單、價格又不貴的上網技術。這就是集軟硬件和必要的開發環境于一身的垂直式網絡引擎，我們叫ipEngine。

對于多種控制應用系統，ipEngine可以作為控制器使用。ipEngine用FPGA構成虛擬接口，可動態地配置內部功能和外部接口，以適應各種用戶的應用需要。圖1給出了ipEngine在生產廠中的應用示例。作為混合罐的控制器，ipEngine以M型模塊方式裝在混合罐主接口電子線路板上。它和傳感器相連以測量溫度、壓力，與執行機構相連以控制轉動部分的工作和速度。ipEngine板上的軟件完成閉環控制所需的任一功能，板上嵌入的Web服務器支持在intranet或Intenet網上的任意地方，都可通過瀏覽器對設備進行監視和控制。為防止對設備進行非授權的訪問，Web網頁設有口令字，保證Web網服務的安全。

IpEngine還可提供對原有的控制系統提供上網能力。譬如，對于圖1中的焊接機器人，ipEngine安裝在原有的控制系統內。有的控制系統多數都有標準總線接口。將ipEngine上的FPGA配置成對應的標準總線協議，如PC機的ISA、PCMCIA或VME總線等。ipEngine可經總線與已有控制系統相連，雖然軟件的閉環控制部分用不著，但是它卻擔當起焊接機器人已存在的接口協議與Internet網之間的網關作用。

與ipEngine硬件相配套的有兩種預集成的、不需付版權費的操作系統。一個是實時的基于POSIX的網絡操作系統；一個是Linux嵌入版本。兩個操作系統都支持完備的TCP/IP連網和Web服務器。

結構

圖2是ipEngine的硬件結構圖。微處理器是Motorola生產的 嵌入式MPC823型PowerPC。之所以選MPC823是因為它有豐富的外圍接口，包括Ethernet、USB、和I2C，還有兩個串行口和一個LCD控制器。MPC823有適合于電池供電片上的許多低功耗工作模式。ipEngine板上有16MB DRAM，2MB FLASH（快閃）存儲器，使應用軟件足以從網上下載，或存于FLASH。板上有專門的開關電源，除自用外還可以向用戶的電子電路供電。開關電源的輸入為5~18V的單一直流電源。

虛擬接口

ipEngine板上采用由FPGA構成的介于MPC823和用戶電子電路之間的虛擬接口。FPGA選用Altera公司的EPF6016，具有1300個用戶可配置的觸發器。因為FPGA的配置數據每次上電要重裝一次，或運行中進行配置，重裝約需10ms。虛擬接口的外引接插件有132引腳，其中82引腳接FPGA，其余接時鐘、電源和MPC823的外圍功能。另有128K×16位高速同步SRAM掛在FPGA上，作為虛擬接口的高速緩沖。FPGA中有專門為MPC823和FPGA訪問SRAM時所需的仲裁電路。SRAM也用做高速同步I/O與處理器內核之間的緩沖，和存放輸出波形的查表數據。板上的鎖相環電路能合成任意頻率的時鐘信號，為PowerPC提供片上波特率信號源和FPGA所需的低時滯時鐘，還留有一路經虛擬接口的插頭方便用戶的使用。

傳感器及執行機構接口

ipEngine提供的典型I/O接口有：串行I/O，并行總線及I/O，波形輸入/輸出。見圖3。

串行I/O 對于串行設備的同步 （如AD/DA變換器）使用內部移位寄存器加上一些控制邏輯，因此，串行模擬變換器可由FPGA上8/16位寄存器的讀和寫來操作。現在MPC823用的是查詢方式，將來可以用中斷或DMA方式。典型的同步串行口大約耗用20~30個觸發器。

并行I/O及總線 并行AD/DA變換器及分立的I/O設備的接口FPGA的寄存器來實現。復雜的雙向存儲器接口和處理器總線式接口也由FPGA的內部邏輯來實現。

波形輸入

主要用于輸入波形的測量和比較，如脈沖的頻率、脈寬和多路脈沖的相位等。它們用輸入波形對內部的計數器進行門控或鐘控來實現。

波形輸出

主要是PWM驅動和控制步進馬達等的輸出。它們用計數器、寄存器、比較器或方向控制電路來實現。用更復雜的邏輯還可實現加速和制動輸出。

虛擬接口的討論

以FPGA為基礎的虛擬接口能省去連接用戶傳感器和執行機構等的附加硬件，可節省開發調試的時間。因為FPGA的各種配置軟件可以事前開發或更新，使用時可在現場升級。 但是虛擬接口的缺點是，雖然可向用戶硬件提供靈活的接口，但缺少工業標準總線（即PC/104和VME），而不能為現成的標準I/O卡提供接口。現BSE公司完成了FPGA上的ISA總線接口，以及PC/104模板。雖然FPGA可以實現很多復雜的功能，但是用戶要花很多時間去開發。為此，BSE公司打算提供上千種預先編輯好的fpgaWare庫，其中包括標準的內部外設和外部接口，fpgaWare庫可通過自動處理向用戶提供。

操作系統

BSE公司首選的是自己的pKernel實時操作系統，pKernel提供POSIX操作，以及上網應用的開發環境。它集成了TCP/IP網絡協議和Apache Web server嵌入式版本。第二個選用的操作系統是Linux嵌入式版本。ipEngine上裝有Linux全部內核和網絡實用程序，但節省了幾百兆的硬盤，用起來還是方便的。除上述Linux內核和實用程序外，ipEngine的板上閃存還裝有Apache Web server，Java虛擬機等，存儲空間最后還有剩余。

BSE能提供嵌入式Linux和pKernel環境下的開發工具套件。還有開發者立即可用的硬件和軟件，它們有：ipEngine板、電源、PowerPC成套交叉編譯工具、Linux或pKernel、機箱、文件和技術支持等。