0 引言
虛擬儀器以其性價比高、開放性強(qiáng)等優(yōu)勢迅速占領(lǐng)了市場， 并成為測控儀器新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。步入信息化時代最顯著的標(biāo)志就是信息網(wǎng)絡(luò)在各行業(yè)中的滲透和普及， 其中以太網(wǎng)最為典型。以太網(wǎng)作為一種成本低廉、吞吐能力強(qiáng)、適應(yīng)性好、網(wǎng)絡(luò)管理能力日益提高的網(wǎng)絡(luò)， 它可以方便地將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)納入局域網(wǎng)甚至Internet。
而以太網(wǎng)總線則有可能代替現(xiàn)行的其他總線方式而成為虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的首選接口。
1 以太網(wǎng)接口的總體設(shè)計(jì)
1.1 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)方案選擇
以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)通常有三種方案： 其一是采用FPGA實(shí)現(xiàn)物理層、網(wǎng)絡(luò)層、接入層和傳輸層等各層的描述， 該方案要自行實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議， 難度較大； 二是基于物理層網(wǎng)絡(luò)控制器和微處理器來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸， 該方案的優(yōu)點(diǎn)是靈活性強(qiáng)， 可以針對不同的系統(tǒng)采用不同的協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)協(xié)議的精簡； 三是采用專用的協(xié)議處理芯片實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸， 該方案的硬件電路相對簡單， 開發(fā)周期短， 并有越來越多的芯片可供選擇， 且集成了多種協(xié)議， 使用十分方便。
本設(shè)計(jì)采用第三種接口方案， 即采用專用的TCP/IP協(xié)議集成芯片， 并由FPGA實(shí)現(xiàn)對協(xié)議處理芯片的控制， 從而實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)議處理芯片選用內(nèi)部固化了TCP/IP協(xié)議的W3150A+并配合物理層芯片RTL8201， 該方法硬件電路相對簡單， 并可利用邏輯硬件實(shí)現(xiàn)， 從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡單、緊湊。
1.2 以太網(wǎng)控制芯片W3150A+簡介
W3150A+是WIZnet公司專門為以太網(wǎng)互聯(lián)和嵌入式系統(tǒng)推出的TCP/IP協(xié)議棧芯片。W3150A+能夠?qū)崿F(xiàn)TCP、UDP、IP Ver.4、DHCP、ARP和ICMP等協(xié)議， 同時， 網(wǎng)絡(luò)接口層(包括MAC子層和DLC子層) 也可在該芯片中實(shí)現(xiàn)。同時還能提供四路網(wǎng)絡(luò)連接， 其內(nèi)部有16KB的雙口RAM可作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)， 并可支持全雙工模式， 同時帶有標(biāo)準(zhǔn)的MII接口， 可方便連接物理層接口芯片。
此外， WIZnet公司還提供了Socket API程序包，可以加速應(yīng)用程序的開發(fā)。
圖1所示是W3150A+芯片的結(jié)構(gòu)框圖。由圖1可見， W3150A+主要由4部分組成。其中第一部分是MCU接口。W3150A+提供有直接總線接口、間接總線接口和SPI 總線接口。既適合與類似8051單片機(jī)的總線連接， 也非常適合與只有IO口而沒有總線接口的控制器連接； 第二部分是TCP/IP協(xié)議棧。W3150A+已經(jīng)完全固化了從MAC層、網(wǎng)絡(luò)層到傳輸層所需要的協(xié)議， 因此， 用戶無需了解這些協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)現(xiàn)代碼； 第三部分是接收和發(fā)送緩沖區(qū)， 通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)就是通過這些緩沖區(qū)來交換的； 第四部分是以太網(wǎng)物理層接口(MII接口)。W3150A+可以與物理層芯片RTL8201無縫連接， 從而實(shí)現(xiàn)10/100BaseT以太網(wǎng)物理接口。
圖1 W3150A+芯片結(jié)構(gòu)圖
W3150A+內(nèi)部的寄存器分為兩個存儲器和兩類寄存器。兩個存儲器分別用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮斎牒洼敵觯?兩類寄存器分別是通用寄存器和端口寄存器， 每類寄存器都含有大量的狀態(tài)字控制寄存器。下面簡要介紹比較重要的狀態(tài)字控制寄存器。
Sn_MR： 端口n模式寄存器， 該寄存器用于設(shè)置端口的選項(xiàng)或協(xié)議類型；
Sn_CR： 端口n命令寄存器， 該寄存器用來設(shè)置端口的初始化、關(guān)閉、建立連接、斷開連接、數(shù)據(jù)傳輸以及命令接受等；
Sn_IR： 端口n中斷寄存器， 該寄存器用于顯示建立和中止連接、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送完成以及時間溢出等信息；
Sn_PORT： 端口n的端口號寄存器， 該寄存器可在TCP或UDP模式下設(shè)定對應(yīng)的端口號；
S_TX_FSR： 端口n發(fā)送存儲器剩余空間寄存器， 該寄存器用于指示用戶可以使用的發(fā)送數(shù)據(jù)空間的大小， 在發(fā)送數(shù)據(jù)前， 用戶必須先檢查剩余空間的大小， 然后控制發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；
Sn_TX_RR： 端口n發(fā)送存儲器讀指針寄存器， 該寄存器用于指示端口在發(fā)送過程完成后發(fā)送存儲器的當(dāng)前位置。當(dāng)端口n的命令寄存器收 到SEND 命令后， 可隨即從當(dāng)前Sn_TX_RR 到Sn_TX_WR 的數(shù)據(jù)中發(fā)送出去， 發(fā)送完成后，Sn_TX_RR的值自動改變；
Sn_TX_WR： 端口n傳輸寫指針寄存器， 該寄存器可指示向TX存儲器寫入數(shù)據(jù)時的地址；
Sn_RX-RSR： 端口n接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)寄存器，該寄存器只是端口接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)， 通常可由Sn_TX_RR到Sn_TX_WR的值計(jì)算得出， 向端口n命令寄存器寫入RECV命令后，寄存器的值將自動改變， 并可以接收遠(yuǎn)程對端的數(shù)據(jù)；
Sn_RX_RD： 端口n接收緩沖區(qū)讀指針寄存器， 該寄存器只是端口接收過程完成后的讀地址信息。
W3150A+內(nèi)部有4 個獨(dú)立的端口(Socket) ，它們的狀態(tài)、控制分別映射在第二到第五寄存器區(qū)。主要用于實(shí)現(xiàn)端口工作模式的控制(TCP服務(wù)器、TCP客戶端、UDP或PPPOE等)、設(shè)置該端口的端口號， 設(shè)置該端口目的主機(jī)IP地址和端口號， 以及端口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)控制等。
2 以太網(wǎng)接口的硬件設(shè)計(jì)
本接口的硬件設(shè)計(jì)主要包括FPGA 與W3150A+的接口設(shè)計(jì)， 物理層芯片RTL8201與W3150A+的接口設(shè)計(jì)以及時鐘模塊和電源模塊的設(shè)計(jì)。其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。
圖2 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。
2.1 W3150A+與FPGA的接口設(shè)計(jì)
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展， FPGA (FieldProgrammable Gate Array) 的計(jì)算能力、容量以及可靠性有了很大的提高。它正以高度靈活的用戶現(xiàn)場編程功能、反復(fù)可改寫功能、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)， 成為數(shù)字電路、數(shù)字信號處理等領(lǐng)域的新寵。
考慮到成本、實(shí)用性以及功耗， 本設(shè)計(jì)選用的FPGA 芯片是Altera 公司MAXII 系列的EPM570GT100C4。MAXII系列器件是一種非易失性CPLD， 采用0.18μm的制造工藝， 并包含有240到2210個邏輯單元和8Kbits非易失性存儲器， 它相對于其他的CPLD可以提供快速、穩(wěn)定、數(shù)量更多的I/O管腳。
W3150A+與微處理器芯片的接口方式有三種： 直接總線接口模式、間接總線接口模式和SPI模式。其中直接總線接口模式適用于大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)那闆r； SPI模式的接口連線較少， 適用于數(shù)據(jù)量不大， 傳輸速率相對較低的情況； 間接總線接口模式下的數(shù)據(jù)傳輸性能則介于它們兩者之間。本系統(tǒng)采用直接總線接口模式， 以便最大限度地提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。其具體的接口電路如圖3所示。
圖3 W3150A+與FPGA的接口電路。
2.2 物理層芯片與W3150A+的接口設(shè)計(jì)
RTL8201BL是一個單端口的物理層收發(fā)器，它只有一個MII/SNI (媒體獨(dú)立接口/串行網(wǎng)絡(luò)接口) 接口。可用于實(shí)現(xiàn)全部的10/100M以太網(wǎng)物理層功能， 包括物理層編碼子層(PCS)、物理層介質(zhì)連接設(shè)備(PMA)、雙絞線物理媒介相關(guān)子層(TP-PMD)、10Base-Tx編解碼和雙絞線媒介訪問單元(TPMAU)。PECL接口可支持連接一個外部的100Base-FX光纖收發(fā)器。這款芯片使用先進(jìn)的CMOS工藝制作， 可以滿足低壓低功耗的需求。
RTL8201BL與W3150A+可通過標(biāo)準(zhǔn)MII接口相連， 其中引腳RX_CLK、RXDV、RXD [0:3] 以及COL用于數(shù)據(jù)的接收， 而TX_CLK、TXE、TXD[0:3] 用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。其具體的電路圖如圖4所示。
圖4 物理層芯片與W3150A+的接口電路。
3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)過程
通過控制器對寄存器進(jìn)行讀寫訪問操作， W3150A+就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。下面介紹具體的操作過程。
首先應(yīng)進(jìn)行初始化。初始化設(shè)置包括基本設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)信息設(shè)置， 端口存儲器信息設(shè)置等， 設(shè)置完后就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸可以采用TCP、UDP、IP_RAW和MAC_RAW模式進(jìn)行， 并可在端口n模式寄存器(Sn_MR)的協(xié)議類型中選擇通信模式。其中， 基本設(shè)置包括模式寄存器(MR)、中斷屏蔽寄存器(SIMR)、重發(fā)時間寄存器(RTR)、重發(fā)計(jì)數(shù)寄存器(RCR) 等； 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信息包括設(shè)定網(wǎng)關(guān)(GAR)、設(shè)定源硬件地址(SHAR)、設(shè)定子網(wǎng)掩碼(SUBR)、設(shè)定源IP地址(SIPR) 等； 而設(shè)置端口存儲器信息則主要是設(shè)定發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)的大小分配， 具體可通過設(shè)置RMSR、TMSR寄存器實(shí)現(xiàn)。
本系統(tǒng)在FPGA芯片EPM570GT100C4的基礎(chǔ)上可利用軟件Quartus II來開發(fā)邏輯控制功能， 從而實(shí)現(xiàn)對W3150A+的控制。其主要端口如下：
nrst： 復(fù)位輸入鍵， 低電平有效；
clk ： 時鐘輸入；
nwrst 復(fù)位輸出， 可復(fù)位W3150A + 和
RTL8201；
nwr： 對W3150A+寫使能信號， 低電平有效；
nrd： 對W3150A+讀使能信號， 低電平有效；
ncs： W3150A+片選信號， 低電平有效；
address： 15位地址信號；
data： 8位數(shù)據(jù)信號；
本接口通信設(shè)計(jì)采用的是UDP通信方式， 其通信流程圖如圖5所示。
圖5 UDP通信流程圖。
端口初始化主要是對端口進(jìn)行初始化， 包括設(shè)置UDP模式、設(shè)置端口號， 設(shè)置OPEN命令；通過Sn_RX_RSR寄存器的值可檢測是否收到數(shù)據(jù)， 若非零， 即進(jìn)入數(shù)據(jù)接收處理； 接收處理時， 首先讀取Sn_RX_RSR寄存器的值， 即接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)， 然后計(jì)算偏址和實(shí)際物理地址， 再根據(jù)物理地址讀取數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)過程中， 如果物理地址到達(dá)該端口設(shè)定的高限地址， 則先讀高限地址的數(shù)據(jù)， 然后將物理地址改為基地址， 然后再從基地址繼續(xù)讀取剩余的數(shù)據(jù)。讀完所有的數(shù)據(jù)后， 可將Sn_RX_RR的值加上讀取的數(shù)據(jù)長度， 然后寫入Sn_RX_BASE， 最后再向端口n的指令寄存器寫入RECV命令。
發(fā)送數(shù)據(jù)？ /發(fā)送處理的實(shí)現(xiàn)過程是首先讀取S_TX_FSR寄存器的值以便能使用發(fā)送數(shù)據(jù)空間的大小來計(jì)算偏址和實(shí)際物理地址， 然后再從物理地址寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中， 如果物理地址已到達(dá)該端口設(shè)定的高限地址， 則先將數(shù)據(jù)寫入高限地址， 然后再將物理地址改為基地址， 接著從基地址繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)。寫完所有的數(shù)據(jù)后， 再將Sn_TX_WR的值加上發(fā)送的數(shù)據(jù)長度， 然后寫入Sn_TX_BASE， 最后向端口n的指令寄存器寫入SEND命令。
發(fā)送完成的確定可在發(fā)送(SEND) 命令后，通過檢測Sn_CR的值來判斷數(shù)據(jù)是否全部發(fā)送完成。
當(dāng)遠(yuǎn)程對端不存在或數(shù)據(jù)傳輸不正常時， 將產(chǎn)生超時錯誤。此次可以通過對Sn_IR (TIMEOUTbit) 檢測來判斷是否超時。
當(dāng)操作全部完成時， 應(yīng)關(guān)閉窗口， 即將Sn_CR寄存器置為CLOSE。
4 結(jié)束語
本文介紹了以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)及其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)過程。利用本文的方法可以使以太網(wǎng)接口正常運(yùn)行， 故可為后續(xù)的虛擬儀器開發(fā)奠定基礎(chǔ)。事實(shí)上， 本方法已經(jīng)過多次試驗(yàn)證明： 完全滿足工程需要。