基于W3150A+的虛擬儀器通用以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

摘要：為了在虛擬儀器設(shè)計(jì)中使用以太網(wǎng)總線來(lái)將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)納入局域網(wǎng)甚至Internet，從而實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化，文中給出了一款基于TCP／IP協(xié)議專用芯片的以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)方法。此接口選用Altera公司的FPGA芯片EPM570GT100C4，并配合專用協(xié)議集成芯片W3150A+和物理層芯片RTL8201，可成功實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；以太網(wǎng)；W3150A+

0 引言
虛擬儀器以其性價(jià)比高、開(kāi)放性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)，并成為測(cè)控儀器新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。步入信息化時(shí)代最顯著的標(biāo)志就是信息網(wǎng)絡(luò)在各行業(yè)中的滲透和普及，其中以太網(wǎng)最為典型。以太網(wǎng)作為一種成本低廉、吞吐能力強(qiáng)、適應(yīng)性好、網(wǎng)絡(luò)管理能力日益提高的網(wǎng)絡(luò)，它可以方便地將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)納入局域網(wǎng)甚至Internet。而以太網(wǎng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的首選接口。

1 以太網(wǎng)接口的總體設(shè)計(jì)
1．1 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)方案選擇
以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)通常有三種方案：其一是采用FPGA實(shí)現(xiàn)物理層、網(wǎng)絡(luò)層、接入層和傳輸層等各層的描述，該方案要自行實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的TCP ／IP協(xié)議，難度較大；二是基于物理層網(wǎng)絡(luò)控制器和微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，該方案的優(yōu)點(diǎn)是靈活性強(qiáng)，可以針對(duì)不同的系統(tǒng)采用不同的協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)協(xié)議的精簡(jiǎn)：三是采用專用的協(xié)議處理芯片實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，該方案的硬件電路相對(duì)簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)周期短，并有越來(lái)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)議處理芯片的控制，從而實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)議處理芯片選用內(nèi)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(duì)簡(jiǎn)單，并可利用邏輯硬件實(shí)現(xiàn)，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單、緊湊。
1．2 以太網(wǎng)控制芯片W3150A+簡(jiǎn)介
W3150A+是WIZnet公司專門為以太網(wǎng)互聯(lián)和嵌入式系統(tǒng)推出的TCP／IP協(xié)議棧芯片。W3150A+能夠?qū)崿F(xiàn)TCP、UDP、IP Ver．4、DHCP、ARP和ICMP等協(xié)議，同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)接口層(包括MAC子層和DLC子層)也可在該芯片中實(shí)現(xiàn)。同時(shí)還能提供四路網(wǎng)絡(luò)連接，其內(nèi)部有16KB的雙口RAM可
作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并可支持全雙工模式，同時(shí)帶有標(biāo)準(zhǔn)的MD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(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。
圖1所示是W3150A+芯片的結(jié)構(gòu)框圖。由圖1可見(jiàn)，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(jī)的總線連接，也非常適合與只有IO口而沒(méi)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(jīng)完全固化了從MAC層、網(wǎng)絡(luò)層到傳輸層所需要的協(xié)議，因此，用戶無(wú)需了解這些協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)現(xiàn)代碼；第三部分是接收和發(fā)送緩沖區(qū)，通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)就是通過(guò)這些緩沖區(qū)來(lái)交換的；第四部分是以太網(wǎng)物理層接口(MII接口)。W3150A +可以與物理層芯片RTL8201無(wú)縫連接，從而實(shí)現(xiàn)10／100BaseT以太網(wǎng)物理接口。

W3150A+內(nèi)部的寄存器分為兩個(gè)存儲(chǔ)器和兩類寄存器。兩個(gè)存儲(chǔ)器分別用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮斎牒洼敵?，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(jiǎn)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(shè)置端口的選項(xiàng)或協(xié)議類型；
Sn_CR：端口n命令寄存器，該寄存器用來(lái)設(shè)置端口的初始化、關(guān)閉、建立連接、斷開(kāi)連接、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、發(fā)送完成以及時(shí)間溢出等信息；
Sn_PORT：端口n的端口號(hào)寄存器，該寄存器可在TCP或UDP模式下設(shè)定對(duì)應(yīng)的端口號(hào)；
S_TX_FSR：端口n發(fā)送存儲(chǔ)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(shù)據(jù)空間的大小，在發(fā)送數(shù)據(jù)前，用戶必須先檢查剩余空間的大小，然后控制發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；
Sn_TX_RR：端口n發(fā)送存儲(chǔ)器讀指針寄存器，該寄存器用于指示端口在發(fā)送過(guò)程完成后發(fā)送存儲(chǔ)器的當(dāng)前位置。當(dāng)端口n的命令寄存器收
到SEND命令后，可隨即從當(dāng)前Sn_TX_RR到Sn_TX_WR的數(shù)據(jù)中發(fā)送出去，發(fā)送完成后，Sn_TX_RR的值自動(dòng)改變；
Sn_TX_WR：端口n傳輸寫(xiě)指針寄存器，該寄存器可指示向TX存儲(chǔ)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)的地址；
Sn_RX_RSR：端口n接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)寄存器，該寄存器只是端口接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，通常可由Sn_TX_RR到Sn_TX_WR的值計(jì)
算得出，向端口n命令寄存器寫(xiě)入RECV命令后，寄存器的值將自動(dòng)改變，并可以接收遠(yuǎn)程對(duì)端的數(shù)據(jù)；
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(guò)程完成后的讀地址信息。
W3150A+內(nèi)部有4個(gè)獨(dú)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(shí)現(xiàn)端口工作模式的控制(TCP服
務(wù)器、TCP客戶端、UDP或PPPOE等)、設(shè)置該端口的端口號(hào)，設(shè)置該端口目的主機(jī)IP地址和端口號(hào)，以及端口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)控制等。