在嵌入FPGA的IP核8051上实现TCP/IP的设计

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引言
随着芯片规模的越来越大、资源的越来越丰富, 芯片的设计复杂度也大大增加。事实上, 在芯片设计完成后, 有时还需要根据情况改变一些控制, 这在使用过程中会经常遇到。这时候如果再对芯片设计进行改变将是很不可取的, 因为需要设计人员参与这种改变, 这无论是对设计者还是用户都是不能接受的。于是就有必要让这种可以改变的简单控制在芯片设计时就存在, 而且同时还应该使这种改变相对容易, 比较通用, 并且与芯片的其它设计部分尽量不相关。为了满足上述的要求, 在FPGA中嵌入一个比较理想的选择, 而这个即通用又控制简单的IP核最好选择8051微处理器。
在FPGA中植入8051后, 还可在上面实现简单的TCP/IP协议, 以支持远程访问或进行远程调试, 这只是在嵌入FPGA的8051上的一个应用。为了保证用户能够对8051实现不同的控制操作,设计时也可以采用一个外部flash对8051进行加载, 这样, 用户只需要将编译好的汇编语言代码加到flash就可以控制8051的工作, 而此时用户完全不需要对FPGA进行操作就能实现简单的控制,而这需要的仅仅只是keil的编译环境。
1 IP核8051的FPGA实现
现在有许多免费的8051核可以利用, 这些核都可通过硬件描述语言来实现, 并且基本上都可综合, 也就是直接拿来就能用, 需要的只是根据自身的具体需求做一些简单修改即可。总的说来, IP核8051的移植是比较简单的。
本系统的设计与实现可以采用oregano system的mc8051内核, 并且加入定时计数的和串口模块, 8051单片机的设计结构框图如图1所示。



(1) 协议栈是用C语言编写的, 故在移植时需要再加上两个头文件, 一个是8051的头文件, 另一个是8051的硬件初始化头文件;
(2) 通过keil c编译器编译时, 在选器件时需要注意, 只有选取数据寄存器为256个字节才能顺利通过编译, 这也是为什么前面8051IP核的数据存储器RAM需要扩展至256个字节的原因。不对RAM进行扩展, 就会出现“不能写b9地址”的错误, 因为在没有对RAM扩展前, 根本不存在b9地址;
(3) 将软件keil编译生成的hex文件送入到8051的程序存储器, 即可在IP核8051上实现简单的TCP/IP协议。这在软件测试时, 与实际工作将有所不同。软件测试时需要将hex文件作为程序存储器的初始化输入, 即在EDA软件编译8051时, 将程序存储器的初始化文件mif的路径设置为hex所在的路径, 在完成综合布线后, hex文件的内容就进入了程序存储器。这样, 仿真时就能在8051IP上实现TCP/IP协议了。
3.2 UIP的工作流程
TCP/IP协议在嵌入到FPGA的IP核8051上的工作流程, 实际上也是简化后的TCP/IP协议的工作流程, 这跟正式的TCP/IP协议有所不同。下面的工作流程以输入一个同步帧 (即: 三向握手的第一次握手) 为例。对于8051实现的UIP来说, 它属于被动建立连接, 其正确的输出结果应该是三向握手的第二次握手, 送出一个确认同步帧是所期望的结果。
下面简单介绍UIP的整个工作流程:
(1) 在P0端口有数据前, 读取数据函数并反复执行, 以对P0端口进行监视 (此种情况只是在测试时, 实际工作中物理层通过控制信号通知读数函数P0口是否有数据);
(3) 为信号的第8级分解小波模极大值图; (4) 为信号各级 (共9级) 的高频分量即小波系数。



由图4可以看出, 该故障信号分析仪能有效采集实时故障信号, 并可在对信号经过小波分析后有效的提取故障特征, 而且故障点定位明显。

5 结束语
该便携式接触网故障信号分析仪采用图形化程序设计语言LabVIEW开发设计, 可实现数据的高速实时采集、在线分析、自动存储、显示等功能。高速数字化仪NI PXI- 5112卡采样速度高、性能稳定可靠, 适宜对高速变化信号的实时监测。将软件安装在PXI- 1042工控机上, 具有体积小、抗干扰能力强、携带方便等特点, 同时具有故障性质判断、故障定位功能。该系统目前已经在石家庄变电所现场运行, 效果良好。
参考文献
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