以W5300和FPGA為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是信號(hào)處理的前提，大量采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸十分重要。以太網(wǎng)由于傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。采用微控制單元和硬件協(xié)議控制芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸在硬件構(gòu)架上比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)且成本較低。

本文基于硬件以太網(wǎng)協(xié)議芯片W5300和FPGA，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套可以與遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的高速采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由電源模塊、A/D模塊、控制模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊組成，組成框圖如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 控制模塊

本系統(tǒng)中控制模塊采用Xilinx公司Spartan-3系列XC3S400［2］作為主控芯片，系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz。該器件豐富的I/O管腳可以完全滿足系統(tǒng)需要且價(jià)格便宜。剩余的管腳用于控制三態(tài)緩沖芯片74HC245，可連接紅外感應(yīng)器等器件作為信號(hào)采集的觸發(fā)信號(hào)?？刂颇K主要完成A/D模塊時(shí)序生成、網(wǎng)口模塊初始化和讀寫(xiě)時(shí)序及與上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

2.1.2 A/D模塊

A/D模塊采用ADI公司的AD7357，該芯片為差分輸入、雙通道、4.2 MS/s、14位SAR型ADC［3］。為實(shí)現(xiàn)差分驅(qū)動(dòng)，采用低失真差分ADC驅(qū)動(dòng)器AD8138實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單端轉(zhuǎn)差分放大。該芯片可產(chǎn)生兩個(gè)幅值相等、相位相差180°且以共模電壓為中心的差分信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)ADC的VIN+和VIN-管腳［4］。共模電壓由AD7357內(nèi)部2.048 V基準(zhǔn)電壓通過(guò)分壓提供。首先通過(guò)高精度、低噪聲、低溫漂運(yùn)算放大器AD8628對(duì)REFA/B管腳的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行緩沖，以提高驅(qū)動(dòng)能力。A/D采樣電路如圖2所示。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)模塊

為實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸并與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，選用Winzet公司的硬件以太網(wǎng)協(xié)議芯片W5300搭建網(wǎng)絡(luò)模塊。該芯片內(nèi)部集成10/100 M以太網(wǎng)控制器、MAC和TCP/IP協(xié)議棧，支持8個(gè)獨(dú)立端口同時(shí)連接，通信速率最高可達(dá)到80 Mb/s；與主機(jī)接口支持8/16 bit數(shù)據(jù)總線，支持2種主機(jī)接口模式；內(nèi)部有128 KB TX/RX存儲(chǔ)器，可根據(jù)端口通信數(shù)據(jù)吞吐量動(dòng)態(tài)調(diào)整其分配。

由于AD7357為14位SAR型ADC，故將BIT16EN管腳拉高，采用16 bit數(shù)據(jù)總線模式；地址總線采用直接地址模式；同時(shí)將W5300芯片的管腳TEST-MODE［3:0］接地，選擇內(nèi)部PHY模式；OP-MODE［2:0］接地，選擇全功能自動(dòng)握手模式；RJ-45接頭選用集成網(wǎng)絡(luò)變壓器的13F-60。網(wǎng)絡(luò)模塊電路如圖3所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

由于W5300不支持上電復(fù)位，故系統(tǒng)上電后首先通過(guò)延時(shí)產(chǎn)生5 ？滋s低電平復(fù)位信號(hào)。為使W5300鎖相環(huán)邏輯穩(wěn)定，復(fù)位信號(hào)恢復(fù)高電平后繼續(xù)等待20 ms。復(fù)位結(jié)束后系統(tǒng)對(duì)W5300進(jìn)行初始化，包括主機(jī)接口設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)信息設(shè)置和內(nèi)部TX/RX存儲(chǔ)器的分配［5］。

本系統(tǒng)中利用狀態(tài)機(jī)依次對(duì)MAC地址、子網(wǎng)掩碼、本機(jī)IP地址、本機(jī)端口號(hào)等8個(gè)寄存器進(jìn)行配置，其余寄存器采用默認(rèn)配置。初始化結(jié)束后系統(tǒng)打開(kāi)端口0，并設(shè)置為服務(wù)器模式，選用TCP/IP協(xié)議傳輸，進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到上位機(jī)的握手命令時(shí)建立連接。

建立連接后，查詢W5300接收寄存器是否有來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)。如果有，則接收數(shù)據(jù)，處理完畢后繼續(xù)查詢；如果沒(méi)有，則系統(tǒng)檢測(cè)是否有外部觸發(fā)信號(hào)或上位機(jī)命令，當(dāng)檢測(cè)到時(shí)，A/D模塊開(kāi)始工作，通過(guò)調(diào)整A/D模塊的工作時(shí)鐘可實(shí)現(xiàn)采樣率0.5 MS/s~4 MS/s的變化。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，在FPGA內(nèi)部建立二級(jí)FIFO緩沖。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，如果收到上位機(jī)結(jié)束命令或者網(wǎng)絡(luò)異常中斷，則W5300關(guān)閉端口，然后重新打開(kāi)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，等待下一次連接。整個(gè)程序的流程圖如圖4所示。

FPGA程序開(kāi)發(fā)采用Verilog語(yǔ)言［6］，在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ISE13.2下進(jìn)行調(diào)試和編譯，通過(guò)JTAG接口將程序下載到FPGA器件中。程序的主要功能是完成對(duì)W5300寄存器的讀寫(xiě)控制、FIFO緩沖的讀寫(xiě)控制、TCP傳輸協(xié)議的實(shí)現(xiàn)以及AD7357采樣時(shí)序的生成。由于實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)量較大，各模塊對(duì)時(shí)序要求非常嚴(yán)格，若時(shí)序不正常，則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤或丟失。以W5300的讀寄存器時(shí)序?yàn)槔?，必須滿足的幾個(gè)要求是：芯片使能信號(hào)CS拉低時(shí)間大于65 ns，且再次拉低間隔時(shí)間大于28 ns；讀使能信號(hào)RD拉低時(shí)間大于65 ns；讀使能信號(hào)拉高后數(shù)據(jù)保持時(shí)間tD小于7 ns。為滿足此時(shí)序要求，在該模塊中，系統(tǒng)時(shí)鐘采用50 MHz，一個(gè)時(shí)鐘周期為20 ns，利用狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生讀時(shí)序，一個(gè)讀寄存器周期為120 ns，即6個(gè)時(shí)鐘周期。圖5［5］為讀寄存器時(shí)序要求。

2.3 整體電路實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要將模擬供電與數(shù)字供電分開(kāi)，且模擬地與數(shù)字地隔離或用磁珠相連，以降低數(shù)字電路和模擬電路之間的干擾；將網(wǎng)口模塊RXIP/RXIN、TXOP/TXON信號(hào)對(duì)按差分信號(hào)布線，長(zhǎng)度一致且盡量靠近；信號(hào)輸入采用同軸接頭，為縮小體積，元器件全部采用縮小體積表面封裝。

3 測(cè)試結(jié)果

程序下載完畢后，首先利用ISE自帶的Chipscope軟件觀察各模塊時(shí)序是否滿足要求。調(diào)試正常后，選用安捷倫公司的波形發(fā)生器輸出50 Hz~1 MHz正弦信號(hào)和方波信號(hào)，峰峰值為1 V。通過(guò)簡(jiǎn)易的上位機(jī)軟件控制網(wǎng)絡(luò)的連接和斷開(kāi)、數(shù)據(jù)采集的開(kāi)始和結(jié)束及采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。隨后利用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，繪制時(shí)域波形和頻譜分析。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)正常工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)兩路A/D以1.5 MS/s采樣率對(duì)50 Hz~750 kHz信號(hào)的準(zhǔn)確采樣和穩(wěn)定傳輸。圖6為750 kHz正弦信號(hào)的局部采樣結(jié)果。

本系統(tǒng)利用W5300搭建網(wǎng)絡(luò)模塊，實(shí)現(xiàn)了A/D采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。若接入以太網(wǎng)，則可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。目前，本系統(tǒng)已應(yīng)用于某型號(hào)測(cè)速雷達(dá)，代替了以往的PCI采集卡，降低了設(shè)備成本，提高了設(shè)備的通用性。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，可加入外掛RAM代替FPGA內(nèi)部FIFO，同時(shí)W5300采用DMA模式傳輸可進(jìn)一步提高傳輸速率，最高可達(dá)80 Mb/s。在此前提下，可選用有效位數(shù)更多、采樣率更高的A/D芯片，以拓寬系統(tǒng)的適用范圍。