一种可靠的百兆以太网接口设计与实现.pdf

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1、第1期焦亚涛等．一种可靠的百兆以太网接口设计与实现71一种可靠的百兆以太网接口设计与实现焦亚涛任勇峰李娜娜王雪松(中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051)摘要针对飞行器遥测系统研制的需要，设计并实现了一种基于FPGA和w5300的可靠的百兆以太网接口。本接口包括变压器隔离模块、以太网控制器和中央控制器3部分。接口采用uDP传输协议，实现了以6．5MB／s的速度可靠、稳定地接收遥测设备的数据流的功能。设计针对uDP协议本身存在的不可靠性，在接口硬件电路设计和软件逻辑设计上分别做了可靠性优化，基本上保证了传输链路的可靠性，确保了数据的完整性。关键词以太网接口uDPw

2、5300可靠性中图分类号TH865文献标识码A文章编号1000—3932(2012)0l_0071_04随着航空、航天技术的发展，在各类飞行器的飞行试验中，遥测设备需要采集的数据量越来越大，对数据的传输速度和距离要求越来越高⋯。传统的总线技术，如RS232及Rs485等已经无法满足需要旧’3

3、。以太网通信具有传输距离长和速度高的优点，并且目前的以太网控制器大多集成了以太网硬件协议栈，使得以太网通讯的开发和实现变得越来越简单，因此在遥测设备中得到越来越广泛的应用。笔者设计并实现了一种基于FPGA和w5300的高速、可靠的百兆以太网接口，该接口是某遥测记录系统的子模块，其设计目标

4、是以6．5MB／s的速度接收以太网数据流。由于遥测设备采用uDP协议进行数据流的发送，因此本接口采用uDP作为数据传输协议。而uDP协议本身具有不可靠性，需要在硬件电路设计和软件逻辑设计上做可靠性优化来确保数据的完整性。1接口设计方案接口采用集成MAc、PHY和TcP／IP协议栈于一体的以太网控制器，采用FPGA作为中央控制器，完成对以太网控制器的控制、对数据的编码和存储(图1)。在接口和遥测设备之间采用隔离变压器以保护接口。图l接口设计方案2接口硬件设计本接口电路的中央控制器为xilinx公司的FPGA(xC3s400)，以太网控制器采用wiznet公司的w5300，隔离变

5、压器采用TI一6T，TI石T支持频率高达300MHz，既满足了百兆以太网的频率要求，又能有效地保护接口电路。接口硬件电路如图2所示。ADDR【90】·”～A0以DATAIl50】D15～D0太咖“IP／RESEl旧网主车J接R)(肼，RD‘o蓉口／WRuol33Vh—一Brrl6EN，lNT旧士

6、■幸0XTl．N把S]TESTMoI)E)汀LP()PMOI)E【——：———。==一RESTBG图2接口硬件电路w5300的数据总线支持16位和8位两种方式，本接口对数据传输速度的要求较高，因此采用16位数据总线模式(位BITl6EN置高)；地址总线支持直接地址模式和间接地址模式两

7、种，直接地址模式寻址方式简单，但占用的存储器空间较大(Ox400字节)，间接地址模式寻址方式复杂，但收稿日期：2011-1l-26(修改稿)基金项目：国家自然科学基金重点项目“微型机械电子系统测试计量技术与理论研究”(50535030)72化工自动化及仪表第39卷占用很少空间(0x06字节)，由于本接口有足够的地址空间，因此采用了直接地址模式。此外，w5300芯片的管脚TEST—MODE[3：0]接地，选择内部PHY模式，OP—MODE[2：0]接地，选择全功能自动握手模式。3接口逻辑设计FPGA主要完成对w5300的配置和对数据接收过程的控制两个功能。3．1W5300的配置

8、对W5300的配置过程即对W5300和SOCK—ET的初始化，其中w5300的初始化即配置通用寄存器，分3个步骤：主机接口设置、网络信息设置和内部Tx／RX存储器空间的分配。SOcKET的初始化即设置SOCKETl寄存器，创建并配置SOcKETl，以实现uDP数据通信Mj’。设置主机接口及网络信息等过程需要先后完成对26个不同寄存器的设置。FPGA如果采用一般方式设置这些寄存器，不仅过程繁琐，而且逻辑复杂，降低了逻辑的灵活性。在本接口的设计中，通过构建RAM，圆满地解决了这一问题。具体过程为：调用了FPGA内部的IP核，搭建深度为64B的单口RAM，将需要配置的寄存器的地址和

9、其对应的配置值依次写入coe文件(第奇数个数据为寄存器地址，第偶数个数据为该寄存器的配置值)，并设置ROM调用该coe文件。在接口上电后，FPGA首先依次读取ROM中的数据，并依次写入w5300的地址总线和数据总线，w5300自动接收这些地址和数据，从而实现了对各寄存器的配置，完成了初始化过程。3．2数据接收过程uDP传输协议的数据传输是基于数据包形式的。每个数据包的包头内嵌有4字节的发送端IP地址、2字节的发送端端口号和2字节的数据包长度，格式如图3所示。图3以太网UDP数据包格式IP地址和端口号供主