1 引言

数据采集很多时候需要将数据传输到远程计算机，也有些采集系统有很多采集点，比如火灾传感器，这就需要数据传输部分能够方便地组网。在短距离内USB传输和1394火线传输都是一个较为理想的方法，但涉及到远距离传输和组网时，它们就不是那么方便了。所以很多时候通过以太网传输采集到的数据是一种较好的方式。目前设备实现联网的做法一般是使用CPU运行操作系统，由操作系统里的软件协议栈完成对TCP/IP协议的处理。这种方式需要编写CPU与数据采集部分接口的驱动和网络通讯的传输软件，开发工作量较大，设计较为复杂。并且CPU在产生接口时序方面较为不便，很多时候需要用FPGA+CPU的方式：FPGA完成与数据采集部分接口时序的产生和数据的缓存，CPU完成数据传输。因为数据采集系统中经常会使用FPGA，如果能用FPGA和少量易用的外围器件实现网络传输则是一种较为理想的方式。我们设计了一个网络传输平台，主要包括FPGA、DDR芯片和硬件化的网络协议栈芯片，可以通过以太网和计算机通讯，将数据传输到计算机中。

2 平台结构

平台结构包括硬件上的结构和FPGA逻辑结构。其结构如图1所示。其中数据采集模块是数据采集系统的传输平台需要的一个模块，但是目前没有，可以根据实际需要进行开发。

2.1 硬件结构

平台主要包括三个部分：FPGA，DDR存储芯片和网络协议栈芯片。FPGA为平台的主控芯片，使用Alter Cyclone IIEP2C20F256，该FPGA具有1 8,752个LE，239，616位存储器空间，26个嵌入式乘法器，4个PLL，152个用户可用管脚，封装采用256脚F'meline BGA，体积较小。

DDR存储芯片使用MICRONM’r46V128M8—6T，容量128MB，数据线宽度为8bit，该容量是DDR单片芯片中容量最大的。芯片最高可工作在167MHz。使用DDR对布板有较高的要求，我们在布板时考虑到了过孔和焊盘长度对走线长度的影响，保证了对同一组数据线和时钟的精确等长布线。通过估计信号的回流路径进行走线和参考平面分割，以保证信号回路阻抗的连续性，减小信号之间的串扰。选择了适当的线宽、叠层方式及叠层厚度，使得单端走线的阻抗控制在50欧姆，差分走线阻抗在100欧姆，以确保传输线的阻抗匹配。这些措施保证了良好的信号的完整性，提高了时序余度，降低了对DDR IPCore的时间参数精确性的要求，为平台的稳定运行打下了基础。

网络协议栈芯片使用的是WIZNETW5300，芯片内部集成了以太网物理层（PHY）、802.3以太网MAC和TCP/IP协议栈。该芯片可用在10M/100M以太网中，完成ISO七层模型中的物理层、数据链路层、网络层和数据传输层的任务，将控制器从复杂的网络协议处理中解脱出来，提供了一个易于实现的网络传输方式。

因此我们选取了并行接口，工作在直接寻址模式。

2.2 FPGA逻辑结构

在进行FPGA逻辑编写时采用了模块化设计，结构主要包括四个部分：DDR接口模块、网络接口模块、传输协议解析模块和寄存器模块。DDR接口模块对DDR芯片进行上电初始化，产生DDR的读写时序并控制DDR刷新。网络接口模块对网络协议栈芯片进行上电初始化，产生芯片的读写时序，并控制芯片发送和接受数据。传输协议解析模块对网络接口模块送来的数据进行解析，转换成对DDR或寄存器的读写操作，并将DDR模块或寄存器模块读出的数据送给网络接口模块，通过网口发送出去。寄存器模块包括16个16位的寄存器，存放参数设定和状态信息，远程用户通过读写寄存器实现对数据采集的控制。

在进行FPGA逻辑编写时采用了层次化的设计。每层完成其特定工作，使得设计清晰明了。系统的层次结构如图2所示。

从整体上来看，平台结构分为设备层、接口层和控制层。设备层为FPGA外围芯片，接口层作为设备层和控制层的桥梁，面向设备发送相应指令，产生特定时序的信号；面向控制层提供数据。

控制层将接口层送来的数据进行解析，转化成对接口层的操作，控制整个平台的工作。在网络接口模块中，同样也可分为接口层和控制层。接口层将上层所有对w5300访问的操作按照其时序要求产生相应地信号，控制层则控制w5300芯片完成以太网通信。

2.2.1 DDR接口模块

DDR接口使用Altera提供的IPcore。该IPcore包括控制逻辑和数据通道两部分，如图3所示。

控制逻辑面向DDR芯片执行总线的操作，对内提供一个简单的接口。数据通道在内部读写数据总线与DDR芯片的双向数据总线之间提供一个接口，因为DDR芯片的数据总线是上升下降沿都传送数据，内部总线仅在上升沿传送数据。所以内部数据总线宽度是DDR芯片数据总线的两倍。本设计中内部总线的宽度为16位。DDR突发数据传输长度选择2。

FPGA逻辑巾还包括一个随机数Ⅻ4试模块。可以产生伪随机数写入DDR芯片。然后将其读出。

通过比较两者是否相同，可毗判断芯片的好坏。随机数Ⅻ5试在上电时会执行一次。执行结果由扳子上LED灯指示。

2.2 2 时络接口模块

网络接口模块丹为控制层和接口层。控制层由多个处理模块组成，包括：复位模块、初始化模块、数据接收模块、数据发送模块和中断处理模块，每个模块完成一种情况的处理。这些模块受一十状态机的控制，状志机根据不同的话分别执行相应的模块。状态机的跳转如图4所示：

系统上电开始，状态机进入复位W5300状态。在其复位管脚上产生一个2微秒的负脉冲以复位芯片。复位完成后进八初始化阶段。初始化阶段设置芯片工作方式、平台网络接口的MAC地址、源口地址、源端口号、掩码、同蓑和协议类型等。车系统采用的是直接寻址方式，协议娄型选择UDp。初始化完成后状态机进人空用状态。在这个状态下，先检测是否有中断㈣产生。如果有中断则进入中断处理状态，执行中断处理模块，如果没有中断则检剁是否有发送数据请求（SendReq）。

如果有则进入数据技逆状志，执行数据发送模块。如果既没有中断也投有菱送数据请求。则进入数据接收状态，执行数据接收模块。数据接收模块执行时。首先要读取W5300内部的接收数据字节长度寄存器。如果不为0表明W5300接啦到数据，则读取数据，否则直接结束数据接收过程，状态机返到空闲状态。

2.2.3 协议解析模块

网络接口模块从W5300中读取到数据后，将数据发送到协议解析模块。协议解析模块根据这些数据解析出相应的操作，读写寄存器或DDR存储器。因为数据写入寄存器只需要一个时钟周期，所以写入寄存器的数据可以被即时写入。而DDR有突发数据传输长度的限制和刷新的存在，使得数据无法即时写入。因此写入DDR的数据先缓存在一个写入FIFO中，当该FIFO中的数据大于突发数据传输长度时，向DDR接口模块请求一次数据写入。读取数据时，因为读寄存器和DDR的速度远大于网络的传输速度，因此读取的数据需要存放在读出FIFO中。读取DDR时，采用了预读方式，持续读取DDR直到读出FIFO满，但实际发送的数据个数仍然为实际需要的数据量，这种方式降低了对DDR读取的复杂度。

4 测试结果

我们将一台计算机和平台通过交叉线连接起来，设定好双方的m地址后，在计算机上通过软件向平台上的DDR读写数据来测试平台的数据传输速度。写入时使用的协议长度字段为1462，读取时为1472，这样发送的数据长度或读取的数据长度加上UDP首部的长度为1500，是以太网的最大传输单元（MTU）的长度。在这种情况下测得平台接收数据速率在70Mbps，发送数据速率达到了30Mbps。

5 结论

我们设计了一个网络传输平台，使用FPGA控制硬件化的TCP/IP协议栈芯片来完成网络传输，避免了由于使用CPU带来的一些问题，同时平台具有大容量的存储器，剩余丰富的Io管脚，在平台基础上再进行少量的开发即可实际使用。我们采用了模块化的设计和层次化的结构。使得平台结构清晰。设计了自定义的传输协议，针对实际环境进行了优化。经测试平台达到了较高的传输速度，其接收数据速率达到了70Mbps，发送数据速率达到了30Mbl硌。本平台具有设计简洁、灵活可靠、性能突出等优点，适合数据采集系统中的数据传输的应用。