一种基于ARM的远程监控系统的设计与实现

唐文俊 李维波 贺洪 饶金

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

1 引言

随着以太网朝着高速方向发展并借助交换技术、全双工工作方式的融入以及嵌入式技术的步发展，极大地推动了以太网技术在工业控制领域中的广泛应用。由于嵌入式系统具有体积小、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特点，大量应用于国防军事、消费电子、网络通信、工业控制等多个领域。ARM和 FPGA是嵌入式领域应用非常广泛的微处理器，ARM在顺序执行和事务处理方面功能强大，FPGA的 I/O口丰富、处理数据的速度高能力强，将它们有机结合起来构建嵌入式采集系统，就兼具各自的优点[1]。

本文阐述一种基于ARM和FPGA的远程监控系统，分别从硬件选型和软件编程两方面进行论述，并借助实验验证该系统的有效性和合理性。

2 硬件电路的设计

图1表示基于ARM和FPGA的监控系统的总体框图，它主要由信号采集处理板、交换机和上位机等几个重要部分组成。

图1 监控网络结构图

由于信号采集处理板是整个监控系统的核心，起到了承上启下的关键作用，一方面它将完成底层信号的获取和预处理，另一方面它将对这些信号进行后续处理并上传给上位机，本文将重点介绍这部分内容。

2.1 信号采集处理板

信号采集处理板的硬件架构如2所示，它由ARM 和 FPGA两个微控制器构建而成，其中ARM作为整个处理板的主控单元，完成读取存储器数据、A/D采样、并与FPGA和上位机之间的通信等功能；FPGA则主要对来自光电转换获得的数字量进行数字滤波、采集和存储等重要操作。

图2 信号采集处理板的硬件架构图

信号采集处理板的 ARM 选型为 TI公司的LM3S9B92。它是基于 ARM® Cortex-M3™技术的一款32位高性能的微控制器，在80 MHz的时钟频率时可以达到100 DMIPS(每秒百万条指令)的处理能力，相对于当前的 8位和16位微处理器（MCU）的水平，具有突出的优势，同时具有Cortex-M3和Thumb-2指令集。其中Thumb-2技术可以使16位和32位的指令并存，带来了代码密度和性能的最佳平衡，Thumb-2比纯32位代码占用少26%，同时使得性能提升25%，有效降低系统成本。

另外，LM3S9B92片内资源非常丰富，它集成了高速外部并行总线接口（EPI接口），支持8位/16 位/32 位专用并行总线，便于连接片外设备或存储器，并支持直接存储器访问控制器(DMA)、时钟控制、片外 FIFO 缓冲等功能，可实现高效的数据传输；它集成了10/100M以太网的MAC和PHY模块，只需要外接一个网络变压器芯片，就能实现以太网功能（目前一般的微处理器还不具备该功能），如图2所示。与此同时支持 IEEE1588精确时间协议，为每个单独的数据包提供高精度时间戳，该以太网控制器还支持DMA高效数据传输，能够有效提高通信速率。

第三，LM3S9B92 微控制器内置了一个DMA，该DMA控制器所提供的工作方式能够降低Cortex-M3处理器参与数据传输任务，从而更加高效地使用内核以及总线带宽，它还能够自动执行存储器与外设之间的数据传输，片上每个支持DMA 功能的外设都有专用的DMA 通道，通过合理的编程配置，当外设需要时能够自动在外设和存储器之间传输数据；LM3S9B92 微控制器还集成了两个10位的A/D模块，支持16个I/O接口，并且内置温度传感器，A/D模块包含4个可编程的序列发生器，无需控制器干预即可自动完成多个模拟量的采样，每个采样序列发生器都可灵活配置其模拟量、触发事件、中断产生和序列发生器的优先级[2]。

FPGA微控制器采用 Altera公司的 Cyclone系列的EP1C3T144I7N，它有接近3000个逻辑单元、13个M4k RAM模块，共有104个用户可用I/O接口，支持66MHz、32位PCI接口，它有两个PLL模块能够提供时钟倍频和移相功能，它同时也支持外部的存储器接口，可以外部扩展SDRAM、SRAM、FLASH等存储器，因此它是一款性价比较高的处理芯片[3]。

2.2 ARM、FPGA和SRAM之间的接口

ARM作为主控制器，控制 FPGA完成信号的采集和存储等功能，它们之间的通信效率会直接影响控制器的性能，本文特别采用总线形式，并在总线上挂一个SRAM缓存数据，便于提高数据传输效率，它们之间的接口关系如图3所示。

分析图 3得知，该总线包括三种总线，即ARM与FPGA的总线，ARM与SRAM的总线以及FPGA与SRAM的总线。图3中AB[0-19]表示20位地址总线；DB[0-7]表示 8位数据总线；CLK/OEn表示时钟或使能信号，当操作FPGA时，CLK/OEn配置为时钟信号，当操作 SRAM时，CLK/OEn配置为使能信号，作使能信号时是低电平有效；WRn为写信号且低电平有效；RDn为读信号且低电平有效；CS为片选信号且高电平有效；INT为FPGA向ARM发出的中断请求信号，以应对特殊情况时请求ARM进行干预处理。

图3 ARM、FPGA和SRAM的接口关系

2.3 FPGA的编程配置

由于该监控系统需要处理模拟量和数字量，而数字信号的频率又各不相同，为了与这种特点的数字量相适应，需要采用灵活的可编程方法来配置FPGA的接口和相应的处理模块，其配置功能如图4所示，它包括以下几个重要模块：

1） 数字滤波模块：对输入量进行滤波处理，本文采用了 FIR滤波方式；2）高频数字信号采集模块，完成高频数字信号的分频和采集功能；3）低频信号采集模块，用于采集频率不高的数字信号；4）定时计数模块，用于按照要求的频率采集数据；5）数据处理模块，用于完成所有输入数据的处理和控制数据块的读/写前的操作；6）数据缓存模块，用于对数据块的存储操作；7）SRAM的读/写模块，完成数据的读入和写入 SRAM 功能；8）中断产生模块用于完成 FPGA的中断申请；9）命令/数据分析处理模块，完成 ARM 的控制响应和与ARM的通信操作。

3 系统软件设计与实现

软件设计主要包括ARM实现TCP/IP协议并与上位机通信，控制FPGA实现采集存储等工作。FPGA程序设计采用Verilog语言编写，在Quartus II 8.1环境下实现，并在ModelSim-Altera 6.3环境下进行了功能仿真和时序仿真。ARM程序设计在IAR6.1环境下实现，主要包括以下三部分：一是TCP/IP协议栈的实现；二是ARM完成模拟信号的采集；三是与FPGA和SRAM的通信。本文主要介绍ARM程序的实现方法。

图4 FPGA的功能模块的配置

3.1 TCP/IP协议栈的实现

TCP/IP协议栈实际上是一个协议族，主要由负责对不同网络进行互联的 IP协议和检测网络传输中差错的传输控制TCP协议组成，但是它的代码体积庞大、CPU耗时多给处理器带来了一定的困难，随着嵌入式以太网技术的快速发展，国外推出了不少轻量级的TCP/IP协议，如LwIP、uIP等，针对工程的实际需要，本文选择了LwIP协议。

LwIP是瑞士计算机科学院(Swedish Institute of Computer Science)的 Adam 、Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码 TCP/IP协议栈。LwIP的含义是Light Weight(轻型)IP协议。LwIP可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。LwIP TCP/IP实现的重点是在保持 TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般它只需要几十kB的RAM和40kB左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈非常适合嵌入式系统中使用。LwIP的主要特性有：

(1)支持多网络接口下的IP转发。

(2)支持网际间控制报文协议ICMP（Internet Control Messages Protocol）协议。

(3)包括实验性扩展的UDP协议（用户数据报协议）。

(4)包括阻塞控制、RTT估算和快速恢复和快速转发的TCP协议（传输控制协议）。

(5)提供专门的内部回调接口（Raw API），用于提高应用程序性能。

(6)多线程情况下，具有可选择的 Berkeley接口API，支持动态主机配置协议（DHCP）和动态分配IP地址[4-6]。

由于系统传输的数据比较大，对速度也有一定的要求，对数据的准确性和稳定性要求很高，所以采用无操作系统的LwIP的TCP协议建立高效可靠的链接来保证数据传输的质量，上位机与信号采集处理板采用客户机/服务器的模式进行通信。软件设计的主要工作是LwIP的移植和TCP协议处理后的数据处理，其流程如图5所示，它为面向连接的客户机/服务器通信流程图，图6表示处理数据包的流程图[7-9]。

图5 面向连接的客户机/服务器通信流程

图6 数据包的处理流程图

3.2 ARM完成模拟信号的采集

针对温度、电压等模拟信号，采用 ARM自带的16通道ADC进行采集，本文选用的ARM能够达到10位的转换精度和1M次每秒的采集速率，完全能够满足采集要求，而且支持硬件过采样技术，能够对采集结果进行多达64个采样取平均值，能很好的提高采样的精度。图7表示模拟量采集的流程图。

图7 模拟量采集流程图

图8 ARM与FPGA的通信流程图

2.3 与FPGA和SRAM的通信

FPGA在硬件处理方面具有独特的优势，并且硬件实现是并行处理模式，配置50 MHz的时钟能满足很高的性能要求和时序要求，本文采用ARM控制 FPGA采集的处理方式，并且采用总线形式，同时数据存储使用外部的SRAM作为存储，减少了FPGA的负荷用时拓展了存储空间，很好的提高了监控的数量和质量。图8表示ARM与FPGA的通信流程，图9表示FPGA对SRAM进行读操作的基本步骤。

图9 ARM对SRAM进行读操作

4 测试结果

按照上述硬件和软件的设计，通过软件调试成功后，并对软硬件进行实验验证，图10表示本采集系统的实物图，中间部分为信号采集处理板，它采集晶闸管的导电极温度，并通过以太网的方式发送给上位机，上位机采用网络调试助手，通过设置协议类型、IP地址和端口号进行网络连接，图11表示实验测试结果[10]。

图10 采集系统实物图

5 结论

对基于ARM+FPGA的远程监测系统，从硬件和软件两部分进行了研究，由于该系统采用了无操作系统的精简 TCP/IP协议，能够实现远程监控，且该系统具有成本低、占用资源少、功能完善、操作方便、易于扩展等特点，可用于现场远距离测试多种数据量，并易于通过网络进行快速级联，具有较强的推广价值。

图11 上位机测试结果图

[1]陈积明, 王智, 孙优贤. 工业以太网的研究现状及展望 [J]. 化工自动化及仪表, 2001, 2(28): 7-10.

[2]Stellaris LM3S9B92 microcontroller datasheet. texas instruments incorporated.

[3]Cyclone device handbook, Volume 1. Altera Corporation.

[4]邱维宝, 傅星, 邬泳. 基于以太网的信号发生与采集控制系统的研究[J]. 电子技术应用, 2006, 11:77-79.

[5]Adam Dunkels. Design and Implementation of the LwIP TCP/IP Stack [M]. Swiss: Swedish Institute of Computer Science, 2001

[6]张海波, 胡大可. 低成本高速率传感器网络的设计实现 [J]. 传感技术学报, 2010, 23(5): 732-738.

[7]范建华.TCP/IP详解卷 1: 协议 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2000.

[8]Douglas E. Comer. 用 TCP/IP进行国际互联 [M].第一卷:原理协议与结构(第 5版), 北京: 电子工业出版社, 2007.

[9]Douglas E. Comer, David L. Stevents.用 TCP/IP 进行国际互联[M]. 第二卷:设计实现与内核：第三版.北京:电子工业出版社, 2001.

[10]李维波,饶金，贺洪. 晶闸管脉冲功率开关保护参数优化计算及其影响特性[J]. 高电压技术, 2009,35(12): 3099-30105.