0 引言

　　虛擬儀器以其性?xún)r(jià)比高,、開(kāi)放性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)了市場(chǎng),， 并成為測(cè)控儀器新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。步入信息化時(shí)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(xiàn)則有可能代替現(xiàn)行的其他總線(xiàn)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(lái)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(duì)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(jiǎn)； 三是采用專(zhuān)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(duì)簡(jiǎn)單,， 開(kāi)發(fā)周期短， 并有越來(lái)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(zhuān)用的TCP/IP協(xié)議集成芯片,， 并由FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)簡(jiǎn)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(jiǎn)單,、緊湊,。

　　1.2 以太網(wǎng)控制芯片W3150A+簡(jiǎn)介

　　W3150A+是WIZnet公司專(zhuān)門(mén)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(shí)， 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(shí)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(shí)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(kāi)發(fā)。

　　圖1所示是W3150A+芯片的結(jié)構(gòu)框圖,。由圖1可見(jiàn),， 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(xiàn)接口,、間接總線(xiàn)接口和SPI 總線(xiàn)接口。既適合與類(lèi)似8051單片機(jī)的總線(xiàn)連接,， 也非常適合與只有IO口而沒(méi)有總線(xiàn)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(hù)無(wú)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(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)就是通過(guò)這些緩沖區(qū)來(lái)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(wú)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(gè)存儲(chǔ)器和兩類(lèi)寄存器。兩個(gè)存儲(chǔ)器分別用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮斎牒洼敵觯?兩類(lèi)寄存器分別是通用寄存器和端口寄存器,， 每類(lèi)寄存器都含有大量的狀態(tài)字控制寄存器,。下面簡(jiǎn)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(lèi)型,；

　　Sn_CR： 端口n命令寄存器， 該寄存器用來(lái)設(shè)置端口的初始化,、關(guān)閉,、建立連接、斷開(kāi)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(shí)間溢出等信息；

　　Sn_PORT： 端口n的端口號(hào)寄存器,， 該寄存器可在TCP或UDP模式下設(shè)定對(duì)應(yīng)的端口號(hào),；

　　S_TX_FSR： 端口n發(fā)送存儲(chǔ)器剩余空間寄存器， 該寄存器用于指示用戶(hù)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(hù)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(chǔ)器讀指針寄存器,， 該寄存器用于指示端口在發(fā)送過(guò)程完成后發(fā)送存儲(chǔ)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(dòng)改變,；

　　Sn_TX_WR： 端口n傳輸寫(xiě)指針寄存器， 該寄存器可指示向TX存儲(chǔ)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)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(jì)算得出,， 向端口n命令寄存器寫(xiě)入RECV命令后，寄存器的值將自動(dòng)改變,， 并可以接收遠(yuǎn)程對(duì)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(guò)程完成后的讀地址信息。

　　W3150A+內(nèi)部有4 個(gè)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(hù)端,、UDP或PPPOE等)、設(shè)置該端口的端口號(hào),， 設(shè)置該端口目的主機(jī)IP地址和端口號(hào),， 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(shí)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(hù)現(xiàn)場(chǎng)編程功能,、反復(fù)可改寫(xiě)功能、高可靠性等優(yōu)點(diǎn),， 成為數(shù)字電路,、數(shù)字信號(hào)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(gè)邏輯單元和8Kbits非易失性存儲(chǔ)器， 它相對(duì)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(xiàn)接口模式,、間接總線(xiàn)接口模式和SPI模式,。其中直接總線(xiàn)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(xiàn)較少,， 適用于數(shù)據(jù)量不大,， 傳輸速率相對(duì)較低的情況； 間接總線(xiàn)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(xiàn)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(gè)單端口的物理層收發(fā)器,，它只有一個(gè)MII/SNI (媒體獨(dú)立接口/串行網(wǎng)絡(luò)接口) 接口?？捎糜趯?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(xiàn)物理媒介相關(guān)子層(TP-PMD),、10Base-Tx編解碼和雙絞線(xiàn)媒介訪(fǎng)問(wèn)單元(TPMAU)。PECL接口可支持連接一個(gè)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(mǎn)足低壓低功耗的需求。

　　RTL8201BL與W3150A+可通過(guò)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(guò)程

　　通過(guò)控制器對(duì)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)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(guò)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(chǔ)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(lèi)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(shí)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(chǔ)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(guò)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(lái)開(kāi)發(fā)邏輯控制功能,， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)鐘輸入,；

　　nwrst 復(fù)位輸出， 可復(fù)位W3150A + 和

　　RTL8201,；

　　nwr： 對(duì)W3150A+寫(xiě)使能信號(hào),， 低電平有效；

　　nrd： 對(duì)W3150A+讀使能信號(hào),， 低電平有效,；

　　ncs： W3150A+片選信號(hào)， 低電平有效,；

　　address： 15位地址信號(hào),；

　　data： 8位數(shù)據(jù)信號(hào)；

　　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(duì)端口進(jìn)行初始化,， 包括設(shè)置UDP模式,、設(shè)置端口號(hào)， 設(shè)置OPEN命令,；通過(guò)Sn_RX_RSR寄存器的值可檢測(cè)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(shí),， 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(guò)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?gòu)幕刂防^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(zhǎng)度， 然后寫(xiě)入Sn_RX_BASE,， 最后再向端口n的指令寄存器寫(xiě)入RECV命令,。

　　發(fā)送數(shù)據(jù)？ /發(fā)送處理的實(shí)現(xiàn)過(guò)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(lái)計(jì)算偏址和實(shí)際物理地址,， 然后再?gòu)奈锢淼刂穼?xiě)入要發(fā)送的數(shù)據(jù),。在發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)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(xiě)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(xiě)入數(shù)據(jù),。寫(xiě)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(zhǎng)度， 然后寫(xiě)入Sn_TX_BASE,， 最后向端口n的指令寄存器寫(xiě)入SEND命令,。

　　發(fā)送完成的確定可在發(fā)送(SEND) 命令后，通過(guò)檢測(cè)Sn_CR的值來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否全部發(fā)送完成,。

　　當(dāng)遠(yuǎn)程對(duì)端不存在或數(shù)據(jù)傳輸不正常時(shí),， 將產(chǎn)生超時(shí)錯(cuò)誤。此次可以通過(guò)對(duì)Sn_IR (TIMEOUTbit) 檢測(cè)來(lái)判斷是否超時(shí),。

　　當(dāng)操作全部完成時(shí),， 應(yīng)關(guān)閉窗口， 即將Sn_CR寄存器置為CLOSE,。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　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(guò)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(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ),。事實(shí)上,， 本方法已經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)證明： 完全滿(mǎn)足工程需要。