摘要：為了在虛擬儀器設(shè)計中使用以太網(wǎng)總線來將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)納入局域網(wǎng)甚至Internet，從而實現(xiàn)虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化,，文中給出了一款基于TCP／IP協(xié)議專用芯片的以太網(wǎng)接口的設(shè)計方法,。此接口選用Altera公司的FPGA芯片EPM570GT100C4，并配合專用協(xié)議集成芯片W3150A+和物理層芯片RTL8201,，可成功實現(xiàn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸,。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；以太網(wǎng),；W3150A+

0 引言
    虛擬儀器以其性價比高,、開放性強等優(yōu)勢迅速占領(lǐng)了市場，并成為測控儀器新的經(jīng)濟增長點,。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,、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
1．1 以太網(wǎng)接口設(shè)計方案選擇
    以太網(wǎng)接口的設(shè)計通常有三種方案：其一是采用FPGA實現(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現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，該方案的優(yōu)點是靈活性強,，可以針對不同的系統(tǒng)采用不同的協(xié)議,，可實現(xiàn)協(xié)議的精簡：三是采用專用的協(xié)議處理芯片實現(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實現(xiàn)對協(xié)議處理芯片的控制,，從而實現(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現(xiàn),，從而使系統(tǒng)設(shè)計更加簡單、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MD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)議的具體實現(xiàn)方法和實現(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,，從而實現(xiàn)10／100BaseT以太網(wǎng)物理接口。

    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?，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?？捎蒘n_TX_RR到Sn_TX_WR的值計
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
    本接口的硬件設(shè)計主要包括FPGA與W3150A+的接口設(shè)計,，物理層芯片RTL8201與W3150A+的接口設(shè)計以及時鐘模塊和電源模塊的設(shè)計,。其硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

2．1 W3150A+與FPGA的接口設(shè)計
    隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,，F(xiàn)PGA(Field Programmable Gate Array)的計算能力,、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，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、實用性以及功耗,，本設(shè)計選用的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。

2．2 物理層芯片與W3150A+的接口設(shè)計
    RTL8201BL是一個單端口的物理層收發(fā)器,，它只有一個MII／SNI(媒體獨立接口／串行網(wǎng)絡(luò)接口)接口,。可用于實現(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,。

3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)過程
    通過控制器對寄存器進行讀寫訪問操作,，W3150A+就可以進行網(wǎng)絡(luò)連接。下面介紹具體的操作過程,。
    首先應(yīng)進行初始化,。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)計數(shù)寄存器(RGR)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)計采用的是UDP通信方式,，其通信流程圖如圖5所示,。

    端口初始化主要是對端口進行初始化，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)，然后計算偏址和實際物理地址,，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)空間的大小來計算偏址和實際物理地址，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(TIMEOUT bit)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)計及其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)過程,。利用本文的方法可以使以太網(wǎng)接口正常運行,，故可為后續(xù)的虛擬儀器開發(fā)奠定基礎(chǔ)。事實上,，本方法已經(jīng)過多次試驗證明：完全滿足工程需要,。