利用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)多路采集與切換系統(tǒng)的應(yīng)用方案

作者：王威，張秋云，江虹，余恒松，易志強(qiáng)，朱笛

引言

隨著信息網(wǎng)絡(luò)與分布式采集技術(shù)的飛速發(fā)展，在智能交通、工業(yè)測控等領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸處理速度、可靠性及實(shí)時(shí)性的要求越來越高。同時(shí)，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）憑借日益豐富的片內(nèi)資源、運(yùn)行速度快和并行處理等特點(diǎn)，使其成為高速采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)有效手段。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議是Internet互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，其不依賴固定的硬件或軟件系統(tǒng)，可以集成于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，具有通信可靠、使用普遍、易于適配接口等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的基于CPU軟件實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議處理方式，占用大量的CPU資源，消耗存儲空間，無論在處理速度還是穩(wěn)定性方面，都無法與基于硬件實(shí)現(xiàn)的相比。韓國WIZnet公司推出的以太網(wǎng)控制芯片W5500支持硬件TCP卸載引擎（TCP Offload Engine，TOE），其集成了TCP/IP全硬件協(xié)議棧，能夠大幅提高應(yīng)用設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)性能，降低CPU占用率，減少FPGA邏輯資源使用，縮短響應(yīng)時(shí)間。

針對上述研究現(xiàn)狀和分布式采集場景分析，本文介紹了一種基于FPGA和TOE架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嗦凡杉c切換系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及并行數(shù)據(jù)采集、多路通道切換、TCP/IP協(xié)議通信等模塊，并通過上位機(jī)PC（或鍵盤與LCD）進(jìn)行遠(yuǎn)程（或本地）準(zhǔn)確控制與實(shí)時(shí)顯示，滿足多路通道切換、模擬信號并行采集、可靠性傳輸?shù)裙δ艿男枨蟆?/p>

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包含上、下位機(jī)設(shè)計(jì)，組成一個(gè)完整的多路采集與切換系統(tǒng)，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。上位機(jī)部分中的PC控制與顯示子系統(tǒng)，可根據(jù)監(jiān)測需求，遠(yuǎn)程對下位機(jī)進(jìn)行配置和部署，并實(shí)時(shí)顯示獲取的數(shù)據(jù)。LCD顯示與鍵盤控制子系統(tǒng)，與下位機(jī)安裝為一體，可獨(dú)立地對下位機(jī)進(jìn)行通道控制與信號檢測，提升該系統(tǒng)的便捷性和實(shí)用性。下位機(jī)作為該系統(tǒng)的主體部分，主要由基于FPGA芯片的核心調(diào)度、數(shù)據(jù)處理、通道管理、信號調(diào)理與采集、網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信、單片機(jī)控制及電源與時(shí)鐘管理七大模塊組成。FPGA核心調(diào)度模塊是下位機(jī)的核心部分，完成對下位機(jī)各個(gè)模塊間的協(xié)調(diào)運(yùn)行與邏輯控制，實(shí)現(xiàn)全局時(shí)鐘管理、TCP/IP協(xié)議與串口通信、命令和數(shù)據(jù)的組幀與解析、通道切換與配置、信號采集與數(shù)據(jù)處理等功能。

基本工作原理：系統(tǒng)上電后，首先等待FPGA初始化，完成默認(rèn)配置，被測外圍接口保持關(guān)閉，下位機(jī)處于TCP服務(wù)器模式，等待上位機(jī)連接。上位機(jī)PC連接成功后，進(jìn)行通道切換與選擇命令配置，并通過以太網(wǎng)將命令數(shù)據(jù)傳至下位機(jī)。然后，下位機(jī)通過以太網(wǎng)通信模塊接收TCP數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)獲取命令后，逐一對各通道管理模塊進(jìn)行配置，切換到被測通道，并對其中8路通道的電壓和電流進(jìn)行信號調(diào)理與采集。每次采集的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，再通過數(shù)據(jù)處理模塊組幀后，交付給以太網(wǎng)通信模塊以TCP/IP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機(jī)。最后，上位機(jī)對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示，完成對多路通道的遠(yuǎn)程切換、采集與監(jiān)測。

若無PC連接，系統(tǒng)可使用鍵盤進(jìn)行命令配置，LCD顯示部分測試結(jié)果，采用串口通信與下位機(jī)進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的交互，實(shí)現(xiàn)本地便捷控制與監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件及FPGA設(shè)計(jì)

多路采集與切換系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要由電源與時(shí)鐘模塊、FPGA邏輯控制模塊、以太網(wǎng)通信模塊、通道管理與切換模塊、ADC信號采集模塊和STM32控制模塊組成，硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 FPGA邏輯控制模塊

FPGA邏輯控制模塊采用了基于Xilinx公司Spartan-6系列的XC6SLX150-2FG484C開發(fā)的核心板AC6150具有高速、高帶寬、高容量等特點(diǎn)。這款核心板尺寸為60 mm×60 mm，搭載FPGA上電配置功能，擴(kuò)展用戶I/O接口168個(gè)，并具備豐富的內(nèi)部邏輯資源。其作為載板直插使用，為工程技術(shù)人員提供了一個(gè)簡便的FPGA使用方案，極大降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度與周期。

FPGA是下位機(jī)部分的核心控制單元，邏輯設(shè)計(jì)采用硬件描述語言（Verilog HDL）和集成開發(fā)套件ISE14.7實(shí)現(xiàn)。FPGA邏輯控制模塊的頂層設(shè)計(jì)包括時(shí)鐘管理與系統(tǒng)復(fù)位、W5500控制、數(shù)據(jù)處理、通道切換、AD采集控制以及STM32控制等子模塊，頂層模塊負(fù)責(zé)各個(gè)子模塊的連接和邏輯綜合，F(xiàn)PGA頂層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2中間虛線框中所示。

2.2 以太網(wǎng)TCP/IP通信模塊

以太網(wǎng)TCP/IP通信模塊主要采用WIZnet公司的一款多功能全硬件以太網(wǎng)接口芯片W5500，內(nèi)部集成10/100 M以太網(wǎng)控制器，嵌入TOE技術(shù)，支持TCP、UDP、IPv4等協(xié)議，無需考慮協(xié)議內(nèi)部各層關(guān)系，不涉及操作系統(tǒng)，只需要正確配置就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，接口電路簡單、編程靈活方便。該模塊電路如圖3所示。

FPGA基于SPI（外部串行接口）協(xié)議對W5500內(nèi)部的寄存器區(qū)和內(nèi)存進(jìn)行讀寫訪問。寄存器區(qū)由通用寄存器區(qū)（用于配置網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、源IP和源MAC地址等）和8個(gè)Socket_n（0≤n≤7）寄存器區(qū)（用于配置Socket端口號、模式、配置命令等）組成。W5500內(nèi)嵌32 KB緩存（接收內(nèi)存和發(fā)送內(nèi)存，各占16 KB），用于緩存以太網(wǎng)傳輸中已接收和待發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)。

采用FPGA+W5500的方式實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的硬件通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有狀態(tài)穩(wěn)定、體積小、成本低、高速可靠等優(yōu)勢。FPGA通過W5500控制子模塊實(shí)現(xiàn)W5500的狀態(tài)機(jī)控制和SPI協(xié)議通信，實(shí)現(xiàn)對W5500芯片的控制和數(shù)據(jù)交互。W5500的狀態(tài)機(jī)控制包括對W5500控制器的狀態(tài)初始化、寄存器配置、TCP連接管理、內(nèi)存數(shù)據(jù)讀寫等功能，其主控制狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖4所示。

FPGA邏輯設(shè)計(jì)中，將W5500配置為TCP服務(wù)器模式，等待上位機(jī)PC（作為客戶端）進(jìn)行主動連接。建立連接后，PC下發(fā)通道切換、采集等命令數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)傳輸至W5500。FPGA檢測到W5500接收中斷后，從W5500接收緩存中讀取數(shù)據(jù)，然后交給數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，并將命令信息下發(fā)到相關(guān)控制模塊。

數(shù)據(jù)處理模塊主要完成對接收（和待發(fā)送）的TCP數(shù)據(jù)進(jìn)行解析（和組幀）；W5500控制模塊的核心在于TCP的連接建立、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送控制。使用Socket_0作為與上位機(jī)通信的端口，TCP通信建立、數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖5所示。經(jīng)回環(huán)測試，TCP傳輸最高速率達(dá)40 Mb/s，滿足眾多嵌入式應(yīng)用需求。

2.3 通道管理與切換模塊

通道管理與切換模塊采用通道選通芯片（ADG1408YRUZ）、電平轉(zhuǎn)換芯片（LSF0108DCUR）、控制切換芯片（ADG819BRM）和繼電器（G3FD-X03SN）組成，以實(shí)現(xiàn)對外圍不同接口管腳的選通、驅(qū)動和控制。通道選通芯片實(shí)現(xiàn)8通道選一的選通功能；控制切換芯片和繼電器控制外圍輸入通道是否接入；FPGA管腳輸出電平為3.3 V，難以直接驅(qū)動外圍器件，通過電平轉(zhuǎn)換芯片將輸出轉(zhuǎn)換為5 V，以提高驅(qū)動能力。

當(dāng)數(shù)據(jù)解析模塊收到通道切換命令后，F(xiàn)PGA通過通道切換子模塊，實(shí)現(xiàn)對外圍芯片的控制，完成多路不同通道的管理和切換。

2.4 ADC信號采集模塊

ADC信號采集模塊由電壓采集和信號調(diào)理子模塊組成。電壓采集子模塊選用ADI公司的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7609BSTZ，它是一款18位、8通道、真差分、同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS） ，最高吞吐率達(dá)200 kS/s。該系統(tǒng)采用2片AD7609芯片分別對8路被測通道的電壓和電流進(jìn)行采集，模擬信號輸入范圍采用±5 V。在采集前端，連接信號調(diào)理子模塊，選用電流轉(zhuǎn)電壓芯片（MAX4080SASA+）將被測電流信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，再經(jīng)過電壓信號調(diào)理芯片（AD8276ARZ）和適當(dāng)高精度電阻進(jìn)行分壓，使輸入AD芯片的被測模擬信號范圍在-5 V~+5 V之間。

FPGA完成對通道的管理切換后，通過AD采集控制子模塊，開啟對接入被測的8路通道AD采集。采樣頻率為10 kHz，16路并行采集，采樣速度達(dá)2.88 Mb/s（16×18 bit×10 kHz/s）。AD采集控制子模塊采用串行工作方式，每完成一次采集，將數(shù)據(jù)交由數(shù)據(jù)處理子模塊進(jìn)行組幀，再通過W5500將數(shù)據(jù)以TCP/IP協(xié)議傳輸至上位機(jī)PC。

3 系統(tǒng)軟硬件綜合測試

3.1 FPGA邏輯設(shè)計(jì)仿真與測試

進(jìn)行FPGA邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，仿真分析是必不可少的環(huán)節(jié)，利用ISE14.7自帶的仿真軟件ISim和在線邏輯分析軟件ChipScope，有利于驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，提高設(shè)計(jì)效率。由于篇幅有限，以下針對該系統(tǒng)FPGA設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)模塊之一——以太網(wǎng)TCP/IP通信模塊的W5500數(shù)據(jù)發(fā)送功能，進(jìn)行仿真和測試分析。

以太網(wǎng)TCP/IP通信通過控制W5500實(shí)現(xiàn)，對W5500控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送測試仿真如圖6所示。在接收到命名標(biāo)志Cmd_Receive后，將測試數(shù)據(jù)Test_Data_r［7:0］依次存入B_FIFO中，再以單bit的方式從B_FIFO中讀出，結(jié)合SPI協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至W5500發(fā)送緩存；數(shù)據(jù)全部寫入后，給出寫入完成標(biāo)志W(wǎng)5500WrFlag，以此開啟W5500進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)發(fā)送。使用ChipScope對實(shí)測信號在線“抓取”，得到W5500數(shù)據(jù)發(fā)送測試信號截圖如圖7所示，實(shí)測與仿真結(jié)果一致，表明該設(shè)計(jì)的正確性。

3.2 系統(tǒng)測試與效果

下位機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)2U機(jī)箱設(shè)計(jì)，可同時(shí)連接8臺被測設(shè)備，每臺設(shè)備有13路不同的接口，共需控制8組×13路通道的切換。上位機(jī)的命令配置界面如圖8所示，通過勾選通道組合，實(shí)現(xiàn)多通道選擇和切換命令的配置。圖8中展示了同時(shí)開啟對8臺被測設(shè)備的2通道監(jiān)測，并施加控制信號1、4的命令配置過程。

使用網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件WireShark對系統(tǒng)的TCP/IP傳輸過程進(jìn)行測試，下位機(jī)為服務(wù)器（IP：192.168.1.168，端口號：10000），上位機(jī)PC為客戶端（IP：192.168.1.1，端口號：8001），TCP/IP通信測試的流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示。圖中給出“三次握手”建立TCP連接，和命令數(shù)據(jù)發(fā)送接收與ACK回復(fù)過程，表明TCP/IP通信正常。

在2號通道接入被測器件，上位機(jī)采用圖8中的通道切換命令配置，系統(tǒng)測試對應(yīng)的PC和LCD監(jiān)測顯示結(jié)果如圖10所示，PC在報(bào)表界面可實(shí)時(shí)顯示被測8路通道的電壓和電流，LCD以10 Hz的頻率刷新顯示監(jiān)測結(jié)果。經(jīng)長期試驗(yàn)和測試結(jié)果表明，PC與LCD顯示結(jié)果與實(shí)際一致，測試效果良好，顯示畫面穩(wěn)定，操作便捷流暢。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA和TCP/IP協(xié)議的多路采集與切換系統(tǒng)，其采用FPGA+W5500的方式實(shí)現(xiàn)了基于硬件的TCP/IP協(xié)議棧，并詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的TCP/IP通信、通道切換和多路采集部分的設(shè)計(jì)方法。綜合測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多路采集與切換控制的功能，穩(wěn)定可靠、使用便捷，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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