虛擬儀器以其性價比高,、開放性強等優(yōu)勢迅速占領了市場,，并成為測控儀器新的經濟增長點。步入信息化時代最顯著的標志就是信息網絡在各行業(yè)中的滲透和普及,，其中以太網最為典型,。以太網作為一種成本低廉、吞吐能力強,、適應性好,、網絡管理能力日益提高的網絡，它可以方便地將數據采集系統(tǒng)納入局域網甚至Internet,。
而以太網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據采集系統(tǒng)的首選接口,。
1 以太網接口的總體設計
1.1 以太網接口設計方案選擇
以太網接口的設計通常有三種方案：其一是采用FPGA實現(xiàn)物理層、網絡層,、接入層和傳輸層等各層的描述,，該方案要自行實現(xiàn)復雜的TCP/IP協(xié)議，難度較大,；二是基于物理層網絡控制器和微處理器來實現(xiàn)網絡傳輸,，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)以太網數據傳輸，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)以太網數據傳輸。協(xié)議處理芯片選用內部固化了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)設計更加簡單,、緊湊,。
1.2 以太網控制芯片W3150A+簡介
W3150A+是WIZnet公司專門為以太網互聯(lián)和嵌入式系統(tǒng)推出的TCP/IP協(xié)議棧芯片。W3150A+能夠實現(xiàn)TCP、UDP,、IP Ver.4,、DHCP、ARP和ICMP等協(xié)議,，同時,，網絡接口層(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絡連接,，其內部有16KB的雙口RAM可作為數據緩沖區(qū),，并可支持全雙工模式，同時帶有標準的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,，可以加速應用程序的開發(fā),。
圖1所示是W3150A+芯片的結構框圖。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+已經完全固化了從MAC層、網絡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),，通過以太網進行通信的數據就是通過這些緩沖區(qū)來交換的,；第四部分是以太網物理層接口(MII接口)。W3150A+可以與物理層芯片RTL8201無縫連接,，從而實現(xiàn)10/100BaseT以太網物理接口,。
圖1 W3150A+芯片結構圖
W3150A+內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據傳輸的輸入和輸出,，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，該寄存器用來設置端口的初始化,、關閉,、建立連接、斷開連接,、數據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,、接收數據、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模式下設定對應的端口號；
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)送數據空間的大小,，在發(fā)送數據前，用戶必須先檢查剩余空間的大小,，然后控制發(fā)送數據的字節(jié)數,；
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)送存儲器的當前位置,。當端口n的命令寄存器收到SEND 命令后,，可隨即從當前Sn_TX_RR 到Sn_TX_WR 的數據中發(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存儲器寫入數據時的地址,；
Sn_RX-RSR：端口n接收數據字節(jié)數寄存器,，該寄存器只是端口接收數據緩沖區(qū)接收數據的字節(jié)數，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據,；
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服務器,、TCP客戶端,、UDP或PPPOE等)、設置該端口的端口號,，設置該端口目的主機IP地址和端口號,，以及端口接收和發(fā)送數據控制等。
2 以太網接口的硬件設計
本接口的硬件設計主要包括FPGA與W3150A+的接口設計,，物理層芯片RTL8201與W3150A+的接口設計以及時鐘模塊和電源模塊的設計,。其硬件設計框圖如圖2所示。
圖2 硬件設計結構框圖
2.1 W3150A+與FPGA的接口設計
隨著半導體技術的飛速發(fā)展,，F(xiàn)PGA(FieldProgrammable 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,、反復可改寫功能,、高可靠性等優(yōu)點，成為數字電路,、數字信號處理等領域的新寵,。
考慮到成本、實用性以及功耗,，本設計選用的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據量傳輸的情況,；SPI模式的接口連線較少，適用于數據量不大,，傳輸速率相對較低的情況,；間接總線接口模式下的數據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據的傳輸速率,。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/串行網絡接口)接口,。可用于實現(xiàn)全部的10/100M以太網物理層功能,，包括物理層編碼子層(PCS),、物理層介質連接設備(PMA),、雙絞線物理媒介相關子層(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+可通過標準MII接口相連,，其中引腳RX_CLK、RXDV,、RXD[0:3]以及COL用于數據的接收,，而TX_CLK、TXE,、TXD[0:3]用于數據的發(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 數據傳輸的實現(xiàn)過程
通過控制器對寄存器進行讀寫訪問操作,，W3150A+就可以進行網絡連接。下面介紹具體的操作過程,。
首先應進行初始化,。初始化設置包括基本設置、網絡信息設置,，端口存儲器信息設置等,，設置完后就可進行數據傳輸。數據傳輸可以采用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)計數寄存器(RCR)等；設置網絡信息包括設定網關(GAR),、設定源硬件地址(SHAR),、設定子網掩碼(SUBR)、設定源IP地址(SIPR)等,；而設置端口存儲器信息則主要是設定發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)的大小分配,，具體可通過設置RMSR、TMSR寄存器實現(xiàn),。
本系統(tǒng)在FPGA芯片EPM570GT100C4的基礎上可利用軟件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：復位輸入鍵，低電平有效,；
clk：時鐘輸入,；nwrst復位輸出，可復位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位數據信號；
本接口通信設計采用的是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行初始化，包括設置UDP模式,、設置端口號,，設置OPEN命令；通過Sn_RX_RSR寄存器的值可檢測是否收到數據,，若非零,，即進入數據接收處理；接收處理時,，首先讀取Sn_RX_RSR寄存器的值,，即接收數據字節(jié)數，然后計算偏址和實際物理地址,，再根據物理地址讀取數據,。在讀取數據過程中，如果物理地址到達該端口設定的高限地址,，則先讀高限地址的數據,，然后將物理地址改為基地址，然后再從基地址繼續(xù)讀取剩余的數據,。讀完所有的數據后,，可將Sn_RX_RR的值加上讀取的數據長度，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)送數據？/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)送數據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)送的數據,。在發(fā)送數據過程中,，如果物理地址已到達該端口設定的高限地址，則先將數據寫入高限地址,，然后再將物理地址改為基地址,，接著從基地址繼續(xù)寫入數據。寫完所有的數據后,，再將Sn_TX_WR的值加上發(fā)送的數據長度,，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的值來判斷數據是否全部發(fā)送完成。
當遠程對端不存在或數據傳輸不正常時,，將產生超時錯誤,。此次可以通過對Sn_IR (TIMEOUTbit)檢測來判斷是否超時。
當操作全部完成時,，應關閉窗口,，即將Sn_CR寄存器置為CLOSE。
4 結束語
本文介紹了以太網接口的設計及其數據傳輸的實現(xiàn)過程,。利用本文的方法可以使以太網接口正常運行,，故可為后續(xù)的虛擬儀器開發(fā)奠定基礎。事實上,，本方法已經過多次試驗證明：完全滿足工程需要。
作者：成鷗 溫昕煜 西安電子科技大學 來源：《電子元器件應用》2010年10期