CN104135410A - 一种基于amba总线结构的epa通信ip核及片上系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AMBA总线结构的EPA通信IP核及片上系统，本发明将EPA协议栈封装为IP硬核，该IP核包括：EPA模块、AHB接口模块、DMAC模块、数据通信接口模块以及寄存器模块。将EPA协议栈以IP核的形式挂接在AMBA总线上，并与CPU、SRAM、FLASH等单元组成片上系统。本发明具有以下有益效果：本发明不仅具备了ARM+FPGA平台技术的优势，并成功解决了该平台所存在的成本高、核心技术易被破解等缺点；基于本发明实现的高效、接口开放的SOC系统，使基于EPA的通信系统更加稳定和可靠；本发明提供的IP核在实现EPA通信功能的同时，还支持冗余功能和精确时钟同步功能。

Description

一种基于AMBA总线结构的EPA通信IP核及片上系统

技术领域

本发明属于工业自动化通信技术领域，具体涉及一种基于AMBA总线结构的EPA通信IP核及片上系统。 

背景技术

EPA通信系统是以EPA协议栈为核心，与微处理器单元、MAC单元以及存储单元等构成的通信系统。目前，EPA通信系统主要是基于ARM、FPGA或ARM+FPGA等微处理器平台，在微处理器上实现EPA协议栈，外围模块则由网卡芯片、物理层芯片和存储器模块等构成。基于ARM的EPA通信系统由软件实现EPA协议栈，具有高速便捷的数据处理和计算能力，但是在数据的传输效率、逻辑处理能力和执行速度上相对较弱。基于FPGA的EPA通信系统则由硬件实现，具有超强的逻辑处理能力、多进程同步高效执行、可灵活编程等特点，但是作为硬件可编程逻辑器件的FPGA，虽然对简单的算法和逻辑处理具有绝对的优势，而在复杂算法的实现上却非常薄弱。因此ARM+FPGA平台结合了两者的优势，由ARM实现上层数据的复杂运算和处理，FPGA完成下层数据的简单处理和传输，使EPA通信系统的性能达到更优。 

尽管ARM+FPGA平台已经可以实现一个较强性能的系统，但是依然存在不足。从市场的角度，FPGA芯片成本高，搭建一套大规模的EPA通信系统非常昂贵，因此市场前景会因为成本而得到限制。从技术、应用层面，ARM+FPGA平台具有技术泄露的风险，集成度、可靠性和稳定性也没有集成电路高。 

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种基于AMBA总线结构的EPA通信IP核及片上系统，将EPA协议栈通过IP核的形式挂接在AMBA总线上，并与CPU、SRAM、FLASH等单元组成片上系统。本发明具体的技术方案如下： 

一种基于AMBA总线结构的EPA通信IP核，用于挂接在片上系统的AHB总线上，实现EPA通信，该IP核包括： 

EPA模块，用于对EPA通信报文的收发进行调度和管理； 

AHB接口模块，用于实现IP核与AHB总线的通信连接； 

DMAC模块，用于实现IP核对片上系统的存储器单元进行直接、快速读写； 

数据通信接口模块，用于搭建EPA通信网络，实现IP核与外部上位机以及其他EPA设备进行数据的交互和通信；以及， 

寄存器模块，用于实现外部上位机对IP核进行开启、配置、组态和监控。 

作为优化方案，EPA模块进一步包括： 

周期报文子模块，用于收发周期报文； 

管理报文子模块，用于接收来自外部上位机的管理报文，进行相应的操作，并根据操作结果发送相应的响应报文；管理报文包括读服务请求报文、写服务请求报文、组态请求报文 

通信调度子模块，用于根据周期报文阶段和非周期报文阶段进行分时调度，触发相应的报文子模块执行报文的收发； 

数据总线子模块，用于仲裁和选通相应的报文子模块与数据通信接口模块之间的数据传输；以及， 

信息管理库子模块，用于存储组态信息以及EPA通信报文信息。 

作为优化方案，EPA模块进一步包括： 

同步报文子模块，用于收发同步报文，进行不同的EPA设备之间的时钟同步，使同一个网络中的EPA设备保持时钟一致； 

事件报文子模块，用于发送事件报文，报告EPA设备在通信过程中出现的故障和突发事件。 

作为优化方案，数据通信接口模块进一步包括： 

MII接口子模块，用于接入以太网，通过以太网与外部上位机通信连接；以及， 

以太网MAC子模块，用于：对报文进行校验和过滤；驱动MII接口模块；处理报文冲突机制。 

作为优化方案，MII接口子模块包括两组冗余的MII接口。 

作为优化方案，IP核包括两个冗余配置的EPA模块，两个EPA模块分别通过数据通信接口模块收发冗余的EPA通信报文。 

一种基于AMBA总线结构的EPA通信片上系统，包括一AHB总线，AHB总线上分别挂接有： 

IP核，用于与外部的上位机连接，周期性地收发EPA通信报文； 

存储器单元，用于存储IP核的组态信息以及EPA通信报文； 

输入输出单元，用于连接外部设备；以及， 

CPU单元，用于获取存储器单元中存储的数据并进行处理，将处理后的数据由输入输出单元输出到相应的外设；还用于采集来自外设的数据并进行处理，对存储器单元中的数据进行更新。 

作为优化方案，CPU单元包括32位的ARM微处理器。 

作为优化方案，存储器单元包括分别挂接在AHB总线上的SRAM存储器和FLASH存储器；其中，FLASH存储器用于存储组态信息，SRAM存储器用于存储EPA通信报文。 

作为优化方案，输入输出单元包括GPIO接口、IIC接口、SPI接口、UART接口、以及CAN接口中的一种或几种。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 

(1)本发明不仅具备了ARM+FPGA平台技术的优势，并成功解决了该平台所存在的成本高、核心技术易被破解等缺点，使得EPA通信系统具有更高的集成度、安全性和更广阔的市场前景。 

(2)同时，基于本发明实现的高效、接口开放的SOC系统，使基于EPA的通信系统更加稳定和可靠。 

(3)本发明提供的IP核在实现EPA通信功能的同时，还支持设备冗余功能和精确时钟同步功能，可通过以太网口实现冗余通道，相互冗余的设备可通过冗余通道进行工作状态的传递。。 

附图说明

图1为本发明提供的基于AMBA总线结构的EPA通信IP核的结构框图； 

图2为EPA模块的结构框图； 

图3为数据通信接口模块的结构框图； 

图4为本发明提供的基于AMBA总线结构的EPA通信片上系统的结构框图； 

图5为DMAC模块的工作过程图。 

上图中序号为：1-IP核、11-EPA模块、111-通信调度子模块、112-周期报文子模块、113-同步报文子模块、114-事件报文子模块、115-管理报文子模块、116-数据总线子模块、117-信息管理库子模块、12-AHB接口模块、13-DMAC模块、14-数据通信接口模块、141-以太网MAC子模块、142-MII接口子模块、15-寄存器模块、2-AHB总线、3-CPU单元、4-存储器单元、5-输入输出单元。 

具体实施方式

首先对本领域内的一些专业术语进行解释： 

AMBA：高级微控制器总线体系(Advanced Microcontroller Bus Architecture)是由ARM公司推出的一种流行的工业标准片上总线标准。 

AHB：高级高性能总线(Advanced High-performance Bus)，属于AMBA总线体系一部分。 

EPA：工业自动化行业的以太网标准(Ethernet for Plant Automation)，是Ethernet、TCP/IP等商用计算机通信领域的主流技术直接应用于工业控制现场设备间的通信，并在此基础上，建立的应用于工业现场设备间通信的开放网络通信平台。 

SOC：片上系统(System on a Chip)，指的是在单个芯片上集成一个完整的系统，对所有或部分必要的电子电路进行包分组的技术。 

IP核：知识产权核(Intellectual Property Core)，用于将一些在数字电路中常用，但比较复杂的功能块设计成可修改参数的模块。 

CPU：中央处理器(Central Processing Unit)。 

DMA：直接存储器存取(Direct Memory Access)。 

DMAC：直接存储器存取控制器(Direct Memory Access Controller)。 

FPGA：现场可编程门阵列(Field Programmable Gata Array)。 

MAC:介质访问控制(Media Access Control)。 

MII：介质无关接口(Media Independent Interface)。 

下面结合附图以实施例的方式详细描述本发明。 

实施例1： 

如图1所示，一种基于AMBA总线结构的EPA通信IP核，用于挂接在片上系统的AHB总线2上，实现EPA通信。该IP核1包括： 

EPA模块11，用于对EPA通信报文的收发进行调度和管理； 

AHB接口模块12，用于实现IP核1与AHB总线2的通信连接； 

DMAC模块13，用于实现IP核1对片上系统的存储器单元进行直接读写； 

数据通信接口模块14，用于搭建EPA通信网络，实现IP核与外部上位机以及其他EPA设备进行数据的交互和通信；利用该数据通信接口模块14可以将通信网络拓展成星型、线型和环型等不同的网络拓扑结构；以及， 

寄存器模块15，用于实现外部上位机对IP核1进行开启、配置、组态和监控。 

在本实施例中，寄存器模块15提供了EPA模块开关、设备主从时钟配置、冗余开关、DMAC地址等寄存器，用户可通过上位机对IP核1进行开启、配置和组态的操作。组态完成后，IP核1进入正常通信状态，由EPA模块11执行收发报文的操作。在IP核工作过程中，用户可通过上位机对IP核的状态进行实时监控。 

如图2所示，EPA模块11进一步包括： 

周期报文子模块112，用于收发周期报文。在具体的报文收发过程中，周期报文子模块112的功能具体包括：打包多个设备的周期数据；当周期数据过长时，拆分数据，分成多个周期报文发送；将周期数据写入片上系统的存储器单元或从片上系统的存储器单元读取周期数据。 

同步报文子模块113，用于收发同步报文。这里的同步报文作为非周期报文，用于处理不同的EPA模块或EPA设备之间的时钟同步，使同一个网络中的EPA设备保持时钟一致，时钟同步算法遵循IEEE1588协议。在具体的报文收发过程中，同步报文子模块113的功能具体包括：触发同步报文的发送；接收并解析同步报文，进行驱动线路延时与偏差子模块线路延时的计算；调整PTP时间，实现PTP时间的更新。 

事件报文子模块114，用于发送事件报文，报告EPA设备在通信过程中出现的故障和突发事件，如网络故障、设备掉线、报文错误等。该模块会根据不同的事件类型发送不同类型的事件报文，在通信宏周期的非周期时间将报文发送出去，报告给监控的上位机。 

管理报文子模块115，用于接收来自外部上位机的管理报文，进行相应的操作，并根据操作结果发送相应的响应报文。在本实施例中，管理报文包括读服务请求报文、写服务请求报文、组态请求报文等。管理报文子模块115的功能具体包括：接收来自上位机的读服务请求报文，根据报文信息索引到相应对象，并读取相应对象的值，如果读成功，则返回读服务正响应报文，否则返回读服务负响应报文；接收来自上位机的写服务请求报文，根据报文信息索引到相应对象，并写入相应对象的值，如果写成功，则返回写服务正响应报文，否则返回写服务负响应报文；接收来自上位机的组态服务报文，提取报文的中的组态信息如宏周期、时间片等信息，送给信息管理库子模块117。 

通信调度子模块111，用于根据周期报文阶段和非周期报文阶段进行分时调度，触发相应的报文子模块执行报文的收发。通信调度子模块111具体的 分时调度的过程如下：一个通信宏周期分为两个阶段，其中第一个阶段为周期报文传输阶段，第二个阶段为非周期报文传输阶段。在宏周期的周期时间内，将本地需要发送的周期报文按分配的发送时间片和优先级触发发送；在宏周期的非周期时间内，根据EPA协议规定的报文优先级，当本地设备的非周期报文为当前网段内优先级最高时，触发该非周期报文的发送。 

数据总线子模块116，用于仲裁和选通相应的报文子模块与数据通信接口模块14之间的数据传输。发送报文时，数据总线子模块116从周期报文、同步报文、管理报文等子模块接收数据并仲裁，送给数据通信接口模块14。接收报文时，数据总线子模块从数据通信接口模块14接收报文，并同时送给相应的周期报文、同步报文、管理报文等子模块，由各报文子模块进行进一步判断和解析。 

以及，信息管理库子模块117，用于存储组态信息以及EPA通信报文信息。信息管理库子模块117的具体功能主要包括：存储管理报文中的信息或获取地址对应的数据信息，如读服务、写服务和组态服务；对其他子模块提供一些常用数据(如本地IP、本地MAC、宏周期、时间片等)，对周期报文模块提供链接关系的索引；将信息管理库中的数据写入片上系统的存储器单元或从片上系统的存储器单元读出组态数据。 

在本实施例中，IP核1通过以太网与外部上位机进行通信，但不限于此，也可以采用其他当前流行的数据通信方式。如图3所示，数据通信接口模块14进一步包括： 

MII接口子模块142，用于接入以太网，通过以太网与外部上位机通信连接。在本实施例中，MII接口子模块142包括两组冗余的MII接口(分别对应于图3中的MII_0和MII_1)，但不限于此，可以根据实际需要增减MII接口。 

以及，以太网MAC子模块141，用于：对报文进行校验和过滤；获取同步报文时间戳；驱动MII接口模块；处理报文冲突机制。 

需要说明的是，以上仅为本实施例提供的一种实例，在实际应用中，数据通信接口模块14中并不限于使用MII接口，上述MII接口可以替换为其他 的RMII接口、SMII接口等。 

在本实施例中，可以为IP核1设置两个冗余配置的EPA模块11，两个EPA模块11分别通过数据通信接口模块14收发冗余的EPA通信报文。用户可通过上位机对寄存器模块15进行设置，确定是否开启冗余功能，并配置一个EPA模块11作为工作设备，另一个EPA模块11作为冗余设备。冗余的两个EPA模块11通过数据通信接口模块14进行冗余报文的收发，冗余报文包括工作设备发送给备用设备的心跳报文和反方向的响应报文，以及备用设备发送给工作设备的切换报文和反方向的响应报文。备用设备通过心跳报文实时监测工作设备的工作状态，一旦工作设备出现异常，冗余的两个设备将及时的进行角色互换。 

实施例2： 

如图4所示，一种基于AMBA总线结构的EPA通信片上系统，包括一AHB总线2，AHB总线2上分别挂接有： 

实施例1中提供的IP核1，用于与外部的上位机连接，周期性地收发EPA通信报文。在本实施例中，IP核1中采用两个冗余配置的EPA模块11。 

存储器单元4，用于存储IP核1的组态信息以及EPA通信报文数据。在本实施例中，存储器单元4包括分别挂接在AHB总线2上的SRAM存储器和FLASH存储器；其中，FLASH存储器用于存储组态信息，SRAM存储器用于存储EPA通信报文数据。 

输入输出单元5，用于连接外部设备。在本实施例中，输入输出单元5包括GPIO接口，但不限于此，也可以采用其他的串行通信接口，例如IIC接口、SPI接口、UART接口、以及CAN接口等。 

以及，CPU单元3，用于获取存储器单元4中存储的数据并进行处理，将处理后的数据由输入输出单元5输出到相应的外设；还用于采集来自外设的数据并进行处理，对存储器单元4中的数据进行更新。在本实施例中，CPU单元3包括32位的ARM微处理器。 

本实施例的具体工作过程如下： 

(1)用户通过上位机PC对IP核1的寄存器模块15进行配置，包括EPA模块开关、设备主从时钟配置、冗余开关、DMA控制器收发地址、DMA收发数据长度等寄存器。其中，DMA控制器的收发地址和数据长度分配见表1。用户还可以通过上位机对IP核1中的寄存器单元进行设置，确定是否开启设备冗余功能，并配置设备是冗余设备还是工作设备。 

表1不同DMA中断下的DMA收发地址和数据长度 

(2)用户通过上位机中的组态软件进行编程组态并通过IP核1自带的MII接口下载到EPA模块11中，组态信息包括宏周期时间、周期时间、非周期时间、链接关系、周期报文发送时间片、IP地址等。 

(3)IP核1在通过上位机组态完成后，会自动的将组态信息通过自带的DMAC模块13写入片上FLASH存储器进行备份保存，这样在下一次组态信息不变的情况下，EPA模块可以通过DMAC模块13从FLASH存储器中获取组态信息进行自组态。DMAC模块13的工作过程详见图5。组态完成后启动EPA通信。IP核1通过自带的以太网MAC子模块141和MII接口子模块142进行EPA报文的收发，EPA报文包括周期报文、同步报文、管理报文。 

SRAM存储器可分为发送SRAM和接收SRAM。周期报文按照组态好的 宏周期时钟周期性和发送时间片进行发送，EPA模块11通过DMAC模块13经由AHB总线2从发送SRAM中获取周期报文的数据，并添加报文头、报文类型、CRC等信息通过MII接口发送到网络上。发送SRAM中的周期数据则是由片上CPU单元3周期性更新；在同一个宏周期里面，EPA模块11也接收来自别的EPA模块11发送给自己的周期数据，EPA模块11会对报文进行解包、判断以及周期数据提取，然后再通过DMAC模块13经由AHB总线2将周期数据传送到接收SRAM中，供CPU单元3获取进行进一步处理。 

同步报文作为非周期报文，用于冗余配置的EPA模块11之间的时钟同步，时钟同步算法遵循IEEE1588协议。 

管理报文作为非周期报文，则主要负责在组态的时候传输组态数据、或者用于上位机软件读取EPA模块11的信息。 

(4)CPU单元3从片上存储器单元4获取数据进行计算、转换等处理，最后根据具体应用选择相应的外设和通讯接口进行输出。同时，CPU单元3也采集来自外设和通讯IO的数据，通过处理将数据更新到存储器单元4，最后通过IP核1发送出去。 

本实施例的有益效果在于： 

(1)在片上系统中实现了EPA通信功能，相对于现有的ARM+FPGA平台，能达到相同的性能，却大大降低了生产成本，且核心技术不易被破解，同时提高了系统的可靠性和稳定性。 

(2)本实施例提供的片上系统在上电启动后，在组态信息不变的情况下，能自行从片上FLASH存储器中读取组态数据进行自组态，并在自组态完成后开始正常的通信工作。 

(3)IP核中设置有自带的DMAC，不需CPU的介入可直接与片上的存储器单元进行数据交互。 

以上公开的仅为本申请的两个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之变化，都应落在本申请的保护范围内。 

Claims (10)

1.一种基于AMBA总线结构的EPA通信IP核，用于挂接在片上系统的AHB总线上，实现EPA通信，其特征在于，所述IP核包括：

EPA模块，用于对EPA通信报文的收发进行调度和管理；

AHB接口模块，用于实现所述IP核与所述AHB总线的通信连接；

DMAC模块，用于实现所述IP核对所述片上系统的存储器单元进行直接、快速读写；

数据通信接口模块，用于搭建EPA通信网络，实现所述IP核与外部上位机以及其他EPA设备进行数据的交互和通信；以及，

寄存器模块，用于实现外部上位机对所述IP核进行开启、配置、组态和监控。

2.根据权利要求1所述的IP核，其特征在于，所述EPA模块进一步包括：

周期报文子模块，用于收发周期报文；

管理报文子模块，用于接收来自外部上位机的管理报文，进行相应的操作，并根据操作结果发送相应的响应报文；所述管理报文包括读服务请求报文、写服务请求报文、组态请求报文

通信调度子模块，用于根据周期报文阶段和非周期报文阶段进行分时调度，触发相应的报文子模块执行报文的收发；

数据总线子模块，用于仲裁和选通相应的报文子模块与所述数据通信接口模块之间的数据传输；以及，

信息管理库子模块，用于存储所述组态信息以及所述EPA通信报文信息。

3.根据权利要求2所述的IP核，其特征在于，所述EPA模块进一步包括：

同步报文子模块，用于收发同步报文，进行不同的EPA设备之间的时钟同步，使同一个网络中的EPA设备保持时钟一致；

事件报文子模块，用于发送事件报文，报告EPA设备在通信过程中出现的故障和突发事件。

4.根据权利要求1所述的IP核，其特征在于，所述数据通信接口模块进一步包括：

MII接口子模块，用于接入以太网，通过以太网与外部上位机通信连接；以及，

以太网MAC子模块，用于：对报文进行校验和过滤；驱动MII接口模块；处理报文冲突机制。

5.根据权利要求4所述的IP核，其特征在于，MII接口子模块包括两组冗余的MII接口。

6.根据权利要求1所述的IP核，其特征在于，包括两个冗余配置的所述EPA模块，两个EPA模块分别通过所述数据通信接口模块收发冗余的EPA通信报文。

7.一种基于AMBA总线结构的EPA通信片上系统，其特征在于，包括一AHB总线，所述AHB总线上分别挂接有：

如权利要求1所述的IP核，用于与外部的上位机连接，周期性地收发EPA通信报文；

存储器单元，用于存储所述IP核的组态信息以及EPA通信报文；

输入输出单元，用于连接外部设备；以及，

CPU单元，用于获取所述存储器单元中存储的数据并进行处理，将处理后的数据由所述输入输出单元输出到相应的外设；还用于采集来自外设的数据并进行处理，对所述存储器单元中的数据进行更新。

8.根据权利要求7所述的EPA通信片上系统，其特征在于，所述CPU单元包括32位的ARM微处理器。

9.根据权利要求7所述的EPA通信片上系统，其特征在于，所述存储器单元包括分别挂接在所述AHB总线上的SRAM存储器和FLASH存储器；其中，所述FLASH存储器用于存储所述组态信息，所述SRAM存储器用于存储所述EPA通信报文。

10.根据权利要求7所述的EPA通信片上系统，其特征在于，所述输入输出单元包括GPIO接口、IIC接口、SPI接口、UART接口、以及CAN接口中的一种或几种。