嵌入式设备广域互连的FPGA实现

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.98MB 107 页 15积分
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
引言：计算机网络出现于 20 世纪 70 年代初，20 世纪 90 年代以来 Internet 高
速发展，表现出许多优越的性能。目前在生活中，利用 Internet 可以比从前更经济、
更方便和更快捷地取得信息并进行信息的交流。但在生产工作中，Internet 的应用
主要还限于传递文字、图片和办公信息等方面。然而人们已经意识到，接入 Internet
的不应仅仅限于狭义上的计算机，工业上的各种测量控制装置都应当而且必将成
为Internet 的一部分。
§1.1 嵌入式设备接入互连网的意义
§1.1.1 嵌入式工控设备网络化与工控技术发展
工业控制系统发展至今已有近四十个年头，从历史到目前可以分为三个阶段：
1、计算机集中控制系统 (Central Control System CCS)阶段
本世纪六十年代，随着数字计算机进入控制领域，产生了第一代控制系统
CCS(计算机集中控制系统)。在 CCS 中，数字计算机取代了传统的模拟仪表，从
而能够使用更为先进的控制技术，例如复杂控制算法和协调控制。从而使自动控
制发生了质的飞跃。但由于控制简单，直接面向控制对象，并未形成控制网络体
系。CCS 在集中控制的同时也集中了危险，系统可靠性很低。由于只有一个 CPU
工作，实时性差。系统越大，上述缺点越突出
2、集散控制系统 (Distribute Control System DCS)阶段
真正意义的工业控制网络体系是七十年代出现的第二代计算机控制系统：分
散型控制系统 DCS(也称集散控制系统)。典型的 DCS 可分为操作站级、过程控制
级和现场仪表三级。这种控制系统的特点是“集中管理，分散控制”。其基本控制
功能在过程控制级中，工作站级的主要作用是监督管理。分散控制使得系统由于
某个局部的不可靠而造成对整个系统的损害降到很低的程度，加之各种软硬件技
术不断走向成熟，极大地提高了整个系统的可靠性，因而迅速成为工业自动控制
系统的主流。目前所使用的 DCS 有环形、总线形和分级式几种，其中分级式应用
最为普遍。
然而 DCS 的缺点也是十分明显的：首先其结构是多级主从关系，底层相互间
进行信息传递必须经过主机，从而造成主机负荷过重，效率低下，并且主机一旦
发生故障，整个系统就会“瘫痪”；其次它是一种数字——模拟混合系统，DCS 的
现场仪表仍然使用传统的 4～20mA 电流模拟信号，传输可靠性差，成本高；再有
各厂家的 DCS 自成标准，通讯协议封闭，极大的制约了系统的集成与应用。
3、现场总线控制系统(Fieldbus Control System FCS)阶段
为了克服 DCS 系统的技术瓶颈，进一步满足现场的需要，现场总线技术应运
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而生，它实际上是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多
节点通信网络，也被称为现场底层设备控制网络(INFRANET)。它综合了数字通信
技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根
本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字——模拟信号控制的局限性，
构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制
系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。
现场总线在发展的最初，各个公司都提出自己的现场总线协议。IEC
（International Electrotechnical Commission）组织于 1999 年12 月31 日投票，确定
了8大总线作为国际现场总线标准，其中包括 Interbus，Profibus，Wordfip，
IEC61158TS（FF H1），P-Net，ControlNet，FFHSE（FF H2），SwiftNet。此外
CAN,LonWork,Modbus,Cebus 亦较流行等等。而在此基础上形成了新的现场总线控
制系统(Fieldbus Control System FCS)。
从工业控制的发展可以看出，对于具体的底层控制方式并没有很大的变化。
但是仅仅由于设备之间的连接关系即控制网络的发展，才使得工业控制有了质的
飞跃。
§1.1.2 现场总线存在的问题
不可否认，现场总线技术对工控领域的技术进步起到了巨大的推动作用，而
且目前在工业现场也被广泛地应用。然而，由于现场总线自身技术的局限性以及
多种总线标准分割共存局面的存在，限制了现场总线技术在工控领域的进一步应
用，主要表现在：
1、互操作性
由于不同总线标准采用了不同的网络技术，不同种类现场总线不能实现互操
作，严重阻碍了现场总线技术在控制领域的迅速发展。一旦用户选择某种现场总
线，以后就会局限于这种总线的产品，若再选择其他总线的产品，必须付出高昂
的代价，这严重影响了现场总线技术向纵深方向发展。
2、分散控制性
在分散性方面，现场总线网络也存在较大的局限性，难以实现真正的全分散
控制。在目前的现场总线控制系统中，主要是低速现场总线，现场仪表和设备的
决策分析和信息处理能力较低。在这种结构中，简单的功能可以分散到现场仪表
和设备中实现，而复杂的功能仍然集中在中央控制计算机上，并没有真正实现全
分散控制系统。
3、信息共享性
按照国际电工委员会 IEC／SC65C 的定义：“现场总线是指安装在制造或过程
区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、
串行和多点通信的数据总线”。从这个定义可以看出，该总线实现的是现场设备之
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间控制信息的交换。
然而当今，基于以太网的 TCP/IP 协议已经成为局域网络的事实标准，在企业
的管理层一级的信息交换中被广泛采用。为了实现企业的“管控一体化”、实现企
业整个信息化的集成，需要将企业信息网络和控制网络相互融合，可是由于两网
的协议不同，无法实现直接互连。而且由于现场总线的控制网络孤立于 Internet
之外，也无法直接实现对远程设备实现监控。
§1.1.3 互连网（Internet）技术的提出
上述问题的根本原因在于：现场总线的开放性是有条件的、不彻底的。为了
问题的解决，人们想到了比工控网络庞大、复杂得多的 Internet。
Internet 得以迅速发展的一个重要原因在于以太网和 TCP/IP 技术的日益成熟
和应用普及，应用 TCP/IP 协议的以太网已经成为最流行的分组交换局域网技术，
同时也是最具开放性的网络技术。如果采用这种技术和现场总线混合控制网络，
可以解决不同协议标准现场总线的系统集成问题，构建出真正全开放、全分散的
控制网络，并实现企业设备控制层到管理层的信息集成。
为了实现上述两种异质网络的互连，必须增设专用网关将现场总线的控制协
议和电气性能转换为企业管理层网络使用的 TCP/IP 协议。由于每次通信都要通过
网关作为代理进行两种协议的转换，所以这种通信的效率是很低下的；而且由于
存在众多的现场总线标准，为了实现互连就要对每一种现场总线配置一种网关，
这在具体实现是极其复杂和困难的。
§1.1.4 嵌入式互连网（Embeded Internet）的解决方案
基于工业现场的工业设备和现场仪表大量采用嵌入式技术这一事实，针对采
用多种专用网关的弊端，工控领域提出了采用嵌入式互连网的解决方案。
所谓嵌入式互连网，就是将互连网功能集成在嵌入式设备内部，直接实现嵌
入式设备的互连网功能。使用该网络结构可以将基于 TCP/IP 的互连网协议贯穿于
控制系统的各个层次，将一台台孤立的现场设备和设备工程师以及企业管理人员
均作为一个网络节点连接在一起，形成一个有机的整体。这样就实现了现场设备
到管理层的直接通信，使设备的控制与维护由过去那种封闭、各行其是的管理模
式逐步向开放、共享、合作的新型管理模式转变，并最终实现企业控制、管理信
息的无缝集成。
嵌入式互连网技术在工业控制中的另一个重要应用就是实现对远程现场设备
的状态监控。以互连网为代表的各类网络技术的应用和普及，拓展了监控系统的
作用空间，为新一代控制模式和系统的发展提供了基础。借助互连网的低成本接
入技术，可以构建具有更高性能价格比的监控自动化系统，实现对目标设备的远
距离操作、监测、控制和维护。
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§1.2 嵌入式互连网技术的发展现状
§1.2.1 嵌入式设备处理器的分类
随着电子技术的飞速，大约有 90%的处理器并不是我们传统意义上的桌面式
或工作站式设备，而是嵌入式处理器。这些处理器被广泛地应用在家庭生活中、
商用设备以及汽车上和工厂的机器设备上。目前，嵌入式处理器暂时可以分为四
类：
1、嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)，以 Am186/88、
386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM 系列等为代表；
2、嵌入式 DSP 处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)，以 TMS320
系列和 Motorola 的DSP56000 系列为代表；
3、 嵌 入 式 微 控 制 器 (Microcontroller Unit, MCU) ， 以 MCS-51 、P51XA 、
MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300 等为代表；
其中前两类处理器由于大量采用 16/32 位数据总线，所以运算速度高、处理能
力强、性能指标同工业控制计算机相当。从功能上讲，由该类嵌入式处理器构成
的嵌入式设备几乎可以满足工控领域的各种要求，但由于价格和相关外设的配置
要求较高，所以该类处理器多用于强实时、复杂多任务处理和需要优良人机交互
的工业测控高端场合。
第三类处理器虽然一般只具有 8/16 位的数据处理能力，在运算速度、寻址空
间等指标上比前两类处理器要差很多，但由于嵌入式控制器具有价格低廉、性能
可靠、可以满足在工业控制和检测中的一般要求的特点，据估算，该类处理器要
占到嵌入式系统 70％的市场份额。因此直至目前，以嵌入式微控制器为代表的嵌
入式设备，如：仪器仪表、数据采集和显示设备、过程控制设备等仍旧在工控领
域广泛使用。
§1.2.2 嵌入式微控制器设备实现嵌入式互连网功能的难点
通过以上分析，可以看出实现工控网络嵌入式互连网体系的重点在于：实现
占工控设备中绝大多数、基于嵌入式微控制器设备的嵌入式互连网功能。
其实将 8/16 位嵌入式微控制器设备与互连网相结合的想法很早就了，但正如
上小结所阐述，这类控制器资源较少，而支持 TCP/IP 等Internet 协议将占用大量
系统资源，或根本不可能。如果将现有嵌入式系统中的 MCU 都更换成 32 位或 64
位的高性能处理器，从经济性和现实性上来说都不太可能。
所以目前主要有两种实现方法：
1、使用嵌入式网络服务器
该方法就是为原设备连接一个内置协议解析与封装功能的嵌入式服务器，使
设备与互连网实现连接。
2、使用专用网络协议芯片
该方法通过在电路板一级增加一颗具有 TCP/IP 协议栈的专用集成电路，实现
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原设备的互连网功能。
§1.2.3 嵌入式互连网技术的发展现状
该技术的发展基本上是围绕上小结提出的两种方式，下面根据这两种方式对
国内外的发展现状与相关产品分别介绍。
§1.2.3.1 嵌入式网络服务器
国外：
MOTOROLA 公司：2001 年开发出以 M68HC08 系列 MCU 为核心，实现
UDP/IP/PPP 协议的嵌入式网络服务器。
ATMEL 公司：开发出利用 AVR 型MCU ATmega103 为核心，支持几乎全部
网际互连协议的嵌入式网络服务器 Toolkit。
Tasking 公司和 emWare 公司：emMicro（网关驱动）和 emGateway（嵌入式
网关），通过将用户程序中加入 emMicro 代码，实现与 emGateway 连接，实现网
络接入。
国内：
东软（NEUSOFT）公司：以 ARM 芯片为目标芯片的 NEST2000 嵌入式开发
平台，可实现网络互连功能。
上海精致科技（Shanghai EXACT Technology）有限公司：GPRS 无线数据终
端NW19，可以完成 TCP/IP 协议转换的网络接入模块，通过 GPRS 方式拨号上网。
用户通过使用厂家提供的软件工具进行必要的参数设置实现将嵌入式系统直接与
Internet 相连。
§1.2.3.2 网络协议芯片
国外：日本精工公司研制出 S7600A TCP/IP 芯片
国内： 上海精致科技 E5111 TCP/IP 芯片
以上两种芯片功能类似，都需要通过 MCU 进行 API 调用，采用 SOCKET 方
式实现网络连接。
§1.3 本文的立题和实施方案
§1.3.1 目前使用的传统远程监控方式及弊端
目前相当多的应用于工控领域的远程数据采集、远程监控和其他设备使用的
是嵌入式微控制器，它们大多不具备接入局域网的条件，很多是利用 Modem 进行
基于公共电话网的数据传送。由于使用电话网，出于成本的考虑进行数据传送一
般是定期进行，因而远端主机不能实现实时监控；而且这种数据传输方式要求对
方主机也要通过电话线进行数据收发，连接方式十分局限。这里仅举出两个例子：
1、城市热网换热站集中监控系统
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集中供热是国家大力推广的节能和环保措施，换热站是连接供热站和用户极
为重要的环节，其工作安全性、可靠性直接影响锅炉的安全性和供热质量。换热
站的作用是对所辖热网的温度、压力、流量、及站内水泵的电流、温度、启停状
态等信号进行采集及控制，并将数据传送到城市热网调度中心，同时接受中心传
来的命令对换热站水泵、调节阀等进行控制。目前换热站大都采用人工监控，一
方面浪费人力；另一方面在出现事故隐患时操作人员难以发现，易造成设备事故。
所以目前较为先进的方式是采用现成的电话线，利用城市发达的公共电话网，通
过有线或无线 Modem 将现场设备数据定期发送到调度中心或从调度中心接收控
制数据。
调度中心需要使用一个甚至多个 Modem 对换热站数据进行解调后再转发到
内部以太网，这样不但换热站的话费成本很高，而且实现实时数据采集、控制难
度很大。可见如果换热站采用上述嵌入式互连网技术，就可以解决以上问题。
2、电梯远程监控系统
目前为了提高电梯生产厂家和电梯维保单位的服务质量，出现了电梯远程监
控系统。该系统主要是监控电梯运行状态，并可实施诸如远程故障诊断、远程参
数设置等面向电梯控制系统的远程操控。现在使用的系统也都是采用类似供热站
的方式利用电话网进行传输、接受数据。这样如果对方的电话线路拥挤（多个监
控点同时拨入电话），将直接导致数据的无法收发。但是如果使用互连网进行数据
收发这种情况将不会发生（虽然理论上会有同时接收的数据流过多会造成网络拥
塞的现象，但这一般只发生在文件传输中。由于实现监控所需要的数据传输量不
大，所以拥塞现象一般不会发生）。
通过以上例子以及之前章节的分析可以看出，采用嵌入式互连网技术实现通
过互连网的数据收发不但是工业控制网络发展的大势所趋，而且还是目前市场的
需要所在。所以本文将提出一种通过现有电话线实现嵌入式互连网技术的新方案。
§1.3.2 利用现有解决方案的利与弊
如果采用嵌入式网络服务器方式，用户系统无须改动就可以实现网络互连，
使用起来最为方便，而且可以几乎实现互连网的所有功能。目前虽然这些功能完
整的网络服务器在尺寸和成本减少方面的步伐很大，但是它们对于大多数应用来
说还是体积太大、成本太高了。Internet 一向是一个胖服务器、瘦客户机的技术，
这对于在 Internet 上存储和访问大量数据是有用的，但是对于控制嵌入式器件来说
有点不合规模。
使用专用芯片实现网络功能对于嵌入式应用来说，无论在功能上还是体积上
都十分具有优势。但是应用目前这种专用芯片的开发人员人员必须要对网络通信
的SOCKET 编程十分熟悉，而且使用这类芯片都需要将开发工具提供的一系列相
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关函数装入用户系统，用户程序才能在运行时进行调用。而且，这些函数的 API
是以高级语言形式给出，这就要求用户要在开发工具上使用同样的高级语言进行
编程。这两个要求将导致用户程序量的显著增加，实际上，这类芯片是面向嵌入
式微处理器设计的，所以明显不适合 8位控制器的应用。
而且，目前大多数的解决方式和相关资料都是面向以太网间互连，这对于局
域网的互连来说实现广域是有利的，因为局域网中一般都要有上位机作为网络服
务器或网关。而对于局域之外的应用来说，最普遍的接入方式是通过拨号上网，
而通过以太网接口在这种情况下实现广域网连接还需要另外的网关支持，所以对
于在这个领域的应用十分不便。
§1.3.3 本方案的提出
从上面的分析可以看出原有的现成解决方案并不适用于嵌入式微控制器，因
此本文针对该类基于嵌入式微控制器的设备通过拨号方式接入互连网的需要，提
出了一种基于大规模可编程芯片的嵌入式互连网解决方案。
该方案利用 VHDL 硬件描述语言，在高密度的现场可编程门阵列（FPGA）
器件上生成 UDP/IP/PPP 协议栈、Modem 驱动逻辑和与用户 MCU 的8位Intel 总
线接口等模块，用户只需要连接三个外围器件，增加少量代码就可以实现课题的
要求功能。
使用该方案实现嵌入式微控制器设备的互连网应用，用户不必考虑互连网的
技术细节，也无须具备网络通信程序编写知识，只要对相应寄存器进行配置，就
可以实现数据的远程发送。降低了用户使用的难度，提高了用户的开发速度，加
快了用户产品的上市时间。
由于采用了低成本的 FPGA 器件，整个方案成本仅仅 150 元左右，可以使用
户产品在价格上有很强的竞争力。
§1.3.4 本文的章节安排
本论文以图 1.1 所示的逻辑次序编排章节。
本方案应用的
基本原理（第二章）
最终方案的确定
（第三章）
硬件原理、器件选用及
使用方法（第四章）
核心芯片设计
（第五章）
总结与讨论
（第六章）
图1.1 本论文章节安排
第二章 本方案的实现原理及上位微机验证
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第二章 本方案的实现原理及上位微机验证
引言：第一章详细介绍了嵌入式设备广域网互连的国内外发展现状和相关技
术，我们可以看到嵌入式设备网络化是今后嵌入式设备发展的一个不可阻挡的趋
势。从上一章的分析和论证中还看到了众多接入方式所存在的局限与遗憾。对此，
本章将对本文立题所提出的方案作一个具体原理上的论证以及对该原理进行上位
机验证性实现。
§2.1 点对点方式接入过程及本方案体系结构
为了将嵌入式设备通过拨号方式用最简练有效的方式接入互连网，就必须遵
循一套严格的技术规范和原则并在这些规范与原则之内进行行之有效的简化。在
对本方案接入原理进行详述之前，先对点对点接入方式进行总体性的阐述。
§2.1.1点对点接入过程
点对点协议（ Point-to-Point Protocol ）位于OSI构架的链路层，主要用于两个
网络节点的一对一连接，为其上层协议提供一条通向广域网的链路。虽然称其为
“协议”，但实际上它并非是一个协议，而是一个包含了若干协议的框架，如：链
路控制协议（LCP）、网络控制协议（NCP， 实际上该协议是一个协议族包含IPCP
协议等）、口令认证协议（PAP）等。由于这些协议都位于链路层、都服务于一对
一连接而且应用几乎相同的协商方式，所以被合并为点对点协议。但在这些协议
当中只有LCP协议是点对点接入所必须的（也是本方案的主要研究对象之一），其
他协议的需要与否视接入设备而定（本方案还要实现了IPCP协议）。
整个接入过程状态转移图如图2.1所示：
§2.1.1.1 连接休眠阶段（用于网络连接的硬件尚未准备好）
一个连接的开始和结束都要经历此阶段。当一个外部事件（例如检测到载波
或网络管理人员配置）指示连接设备已准备好并可以使用时，点对点连接协议将
进入建立连接阶段。通俗地讲该阶段相当于我们用具有拨号上网功能的上位机但
连接
失败
网络层协议
关闭
休眠
链路创建
认证
链路终止
成功/无须认证
图2.1 PPP 连接过程状态转移图
嵌入式设备广域互连的 FPGA 实现
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没还有使用 Modem 进行拨号之前或拨号后但还没有检测到载波的状态。一旦
Modem拨号并随后检测到载波，该连接过程进入到链路创建阶段。
§2.1.1.2 链路创建阶段
该阶段应用链路控制协议（LCP）通过交换配置数据包建立连接。当LCP协议
状态机（后节将会说明）进入已打开状态，并且双方相互发送和接收过配置确认
数据包后，此阶段才完成。
该阶段所有的协商选项都被假定为缺省值，除非通过协商而改变。在此阶段
接收到的任何非LCP数据包将被静默丢弃。接收到LCP配置请求数据包将引起PPP
连接从网络层协议阶段或认证阶段返回到建立连接阶段。该阶段对于拨号上网用
户透明，关于LCP配置选项的进一步讨论将在2.4节中进行。
§2.1.1.3 认证阶段
在某些连接时，在允许用户数据包交换之前希望对待接入设备进行认证。缺
省时，认证不是必要的。如果应用时希望使用某些认证协议进行认证，这种要求
必须在链路创建阶段阶段提出。
在对该方案进行功能性上位机仿真时，发现多数公开用户名和密码的ISP（如
16300、96590）是可以缺省的，用户名和密码的输入实际只是在链路创建阶段最
初（交换配置数据包之前）进行的。这一点将会在2.5节中进行说明。
§2.1.1.4 网络层协议阶段
一旦PPP完成了上述阶段，每一个网络层协议（例如IP、IPX、AppleTalk）必
须单独地由相应的网络控制协议（NCP）配置。每一个网络控制协议可以随时打
开或关闭。只有当某个网络控制协议状态机为开放状态时，PPP连接上才可以传送
相应的网络层协议数据包。该阶段对于拨号上网用户也为透明，关于NCP协议的
进一步讨论将在2.4节中进行。
§2.1.1.5 终止连接阶段
PPP连接可以随时终止。原因可能是载波丢失、认证失败、连接质量失败、超
时计数器溢出，或者网络管理员关闭连接。
LCP通过交换连接终止包来终止连接。当连接正在被终止的时候，PPP会通知
网络层以便它采取相应的动作。为了简化设计，在本方案中没有采用交换连接终
止包的方式，而是直接采用Modem挂机的方式结束连接，这等同于使用上位机拨
号上网的用户将电话线拔出Modem的效果。
§2.1.2 本方案体系结构
本方案在体系结构上，通过实现TCP/IP协议栈的一个子集的，来满足：
摘要：

第一章绪论1第一章绪论引言：计算机网络出现于20世纪70年代初，20世纪90年代以来Internet高速发展，表现出许多优越的性能。目前在生活中，利用Internet可以比从前更经济、更方便和更快捷地取得信息并进行信息的交流。但在生产工作中，Internet的应用主要还限于传递文字、图片和办公信息等方面。然而人们已经意识到，接入Internet的不应仅仅限于狭义上的计算机，工业上的各种测量控制装置都应当而且必将成为Internet的一部分。§1.1嵌入式设备接入互连网的意义§1.1.1嵌入式工控设备网络化与工控技术发展工业控制系统发展至今已有近四十个年头，从历史到目前可以分为三个阶段：1、计算...

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