基于FPGA的SPI串行接口實時以太網(wǎng)實現(xiàn)

廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 張海平 劉 偉 黃海清

廣東鍛壓機床廠有限公司 沈紅立

1.引言

為解決以太網(wǎng)的通信確定性問題，從而消除以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信的主要障礙和為以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信提供技術(shù)可能，需要高速的通信速率、全雙工交換方式。為了滿足這些要求，采用了只有28引腳的業(yè)界標準串行外設(shè)接口(SPI)的以太網(wǎng)控制器ENC28J60，符合IEEE 802.3協(xié)議，可以提供相應(yīng)的功能，不僅大大的簡化了相關(guān)設(shè)計，而且減小占用空間?？刂破鱁NC28J60與主控制通過兩個中斷和自帶的SPI實現(xiàn)通信，其數(shù)據(jù)傳輸速率高達10Mb/s。其中ENC28J60內(nèi)置集成MAC和10BASE_T PHY，可按業(yè)界標準的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地接受信息報數(shù)據(jù)，而且內(nèi)部具有可編程8KB雙端口SRAM緩沖器，可減輕主控單元的內(nèi)存負荷，提供靈活可靠的數(shù)據(jù)管理機制，大大地提高系統(tǒng)傳輸性能。

以太網(wǎng)是一種可實現(xiàn)LAN內(nèi)的嵌入式器件與互聯(lián)網(wǎng)的連接的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。擁有以太網(wǎng)功能的嵌入式系統(tǒng)，主控制單元便可通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)數(shù)據(jù)，并遙控控制。因以太網(wǎng)架構(gòu)、性能、互操作性、可擴展性及開發(fā)簡便等特點，已成為嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的標準通訊技術(shù)。但是實時以太網(wǎng)控制往往要求對某些變量的數(shù)據(jù)準確定時刷新。在工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用中，PC機上數(shù)據(jù)的雙向傳輸，可采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA作為控制的硬件。而且從系統(tǒng)集成角度上，對于帶有SPI接口的ENC28J60芯片選用FPGA技術(shù)實現(xiàn)SPI的設(shè)計也是最優(yōu)的選擇。滿足編程靈活、集成度高、可移植性好、開發(fā)工具先進、設(shè)計成本低的優(yōu)點。本系統(tǒng)中采用型號為DB4CE15的Cyclone IV的FPGA芯片，該芯片支持32位的RISC軟CPU內(nèi)核即NIOS II處理器，可根據(jù)需要完成SPI串口的設(shè)計。

圖1 通信原理

圖2 硬件電路

圖3 FPGA設(shè)計SPI串口主模式結(jié)構(gòu)圖

圖4 NIOS II硬件開發(fā)

圖5 NIOS IDE設(shè)計

圖6 TCP/IP測試結(jié)果

在以太網(wǎng)通信的原理的基礎(chǔ)上，對其中ENC28J60外圍電路和基于FPGA的SPI串口進行設(shè)計，包括控制命令和數(shù)據(jù)傳輸，著重闡述了傳輸接口SPI的設(shè)計方案。

2.系統(tǒng)通信原理

將FPGA連接到速率為10Mbps的以太網(wǎng)實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括主控制器FPGA、以太網(wǎng)控制器ENC28J60、信息收發(fā)系統(tǒng)PC機、以太網(wǎng)變壓器、以及復(fù)位自動檢測LED。

工作流程如下：

FPGA通過RESET復(fù)位控制ENC28J60以太網(wǎng)控制器，準備開始數(shù)據(jù)傳輸。

按照上一節(jié)點傳達命令，PC機的服務(wù)器通過RJ45發(fā)送節(jié)點數(shù)據(jù)經(jīng)過以太網(wǎng)變壓器，由以太網(wǎng)控制器ENC28J60緩沖器接受。

節(jié)點數(shù)據(jù)由ENC28J60分析處理，經(jīng)ENC-28J60和主控制FPGA的通信通道SPI接口，由FPGA接受數(shù)據(jù)，并對通過SPI接受的數(shù)據(jù)命令進行解析。

節(jié)點數(shù)據(jù)由FPGA內(nèi)部寄存器保存并由SPI接口發(fā)送給ENC28J60控制器，在經(jīng)過ENC28J60內(nèi)部的PHY（物理層介質(zhì)接入層）編碼譯碼傳出數(shù)據(jù)。

最終PC機的客戶端接收節(jié)點數(shù)據(jù)，完成一個節(jié)點的傳輸存儲過程。

從上述的工作流程中可以看出，通信系統(tǒng)的關(guān)鍵在于ENC28J60以太網(wǎng)控制器與主控制器的通信通過兩個中斷引腳和SPI實現(xiàn)，只需4條連線即可與主控制單元連接，兩個專用的引腳用于連接LED，進行網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)指示。ENC28J60工作電壓為3.3V，但易于集成于5V系統(tǒng)中，其CS、SCK、SI和RESET引腳都可以承受5V電壓，CS(片選)、SI(SPI數(shù)據(jù)輸入端口)和SCK(時鐘)最大耐壓為5V，CS的內(nèi)部上拉能力較弱。FPGA(EB4CE15)的I/O口與ENC28J60以太網(wǎng)控制器的端口都是3.3v，在設(shè)計中就省去了電平轉(zhuǎn)換部分。

其控制部分的硬件實現(xiàn)是由四代FPGA開發(fā)板、以太網(wǎng)控制器ENC28J60、網(wǎng)絡(luò)接口RJ45等組成，電路如圖2。

3.SPI總線接口設(shè)計

FPGA與以太網(wǎng)控制器ENC28J60具有設(shè)計需要的相同的輸入／輸出端和功能，所以在連接EB4CE15和ENC28J60的時候，只需取時鐘頻率為25Mhz的EB4CE15的輸入，輸出端口對應(yīng)于ENC28J60各個連接端口的功能即可。

SPI的通信采用主從方式、半雙工方式工作，可由MISO（主入從出），MOSI（主出從入），SCK（時鐘），CS（片選）四根線完成。當控制芯片被選中，CS信號變成預(yù)定使能信號時，芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個SPI設(shè)備成為可能。在FPGA中設(shè)計的SPI串口主模式結(jié)構(gòu)圖如圖3，采用SOPC可編程片上系統(tǒng)集成硬核或軟核CPU、鎖相環(huán)PLL、存儲器、I/O接口等，可以靈活高效地解決工業(yè)標準串行接口協(xié)議SPI的設(shè)計，其設(shè)計周期短，設(shè)計成本低。SOPC Builder中提供了現(xiàn)成的SPI核，可以輕松地集成到NIOS II系統(tǒng)中。

NIOS II是一個用戶可自行配置的通用32位RISC嵌入式處理器，是SOPC（System On a Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng)）的核心，具有可定制和可配置性特性。SOPC的開發(fā)包括硬件和軟件兩部分，硬件開發(fā)在Quartus II自帶的SOPC Builder中實現(xiàn)的，然后集成到NIOS IDE軟件中實現(xiàn)整個設(shè)計。

其硬件開發(fā)在Quartus II 11.0中的實現(xiàn)如圖4，主要包括100Mhz輸出時鐘的PLL模塊和SOPC設(shè)計的kenerl部分，其中kernel中包含了NIOS II Processor、SYSTEM ID、SDRAM、EPCS以及JTAG UART。

由于SPI支持速率為10Mbps的網(wǎng)絡(luò)，為了滿足要求，在原有FPGA時鐘為25MHZ的基礎(chǔ)上倍頻至100MHZ。對于核心部分kenerl的SOPC設(shè)計，結(jié)合四代開發(fā)板優(yōu)勢，將系統(tǒng)通信過程中的數(shù)據(jù)直接存貯在SDRAM。

軟件集成部分如圖5在NIOS IDE中通過對system.h的變動，對sopc.h修改和對enc28j60.h的結(jié)構(gòu)體創(chuàng)建，它的優(yōu)點在于，通過結(jié)構(gòu)體的形式將零散的數(shù)據(jù)整合在一起，大大提高了程序的可讀性、可維護性和可移植性。

4.TCP/IP協(xié)議設(shè)置及測試

對于網(wǎng)口程序，由于微處理器內(nèi)存和運算速度存在一定的限制，難以在微控制芯片上實現(xiàn)所有的TCP/IP協(xié)議，為了滿足嵌入式控制系統(tǒng)的可靠性和實時性需求，實現(xiàn)TCP/IP通信，必須對TCP/IP協(xié)議進行相應(yīng)選擇。其TCP/IP測試結(jié)果如圖6，其中的參數(shù)設(shè)置如下：

FPGA參數(shù)設(shè)置為：

IP地址：127.0.0.15

TCP端口號：502

PC機參數(shù)設(shè)置為：

IP地址：127.0.0.1

端口號：502

5.結(jié)論

對于將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場總線是未來工業(yè)實時以太網(wǎng)發(fā)展趨勢，基于FPGA的嵌入式帶有SPI接口的以太網(wǎng)的軟硬件實現(xiàn)方法具有性能好、成本低等優(yōu)點。實驗測試結(jié)果表明，采用ENC28J60這種具有特色的以太網(wǎng)控制器，系統(tǒng)具有良好的實時性和可靠性。而且這種具有可移植性好和頻率高的設(shè)計應(yīng)用的微細加工中，可以很好的提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性，提高加工的效率。

[1]周曉陽,程紅等.新型以太網(wǎng)控制器ENC28J60及其接口技術(shù)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006(8).

[2]李偉堯.基于以太網(wǎng)控制器ENC28J60嵌入式TCP/IP技術(shù)的研究[J].科技信息,2009(30).

[3]陳奎,吳愛國等.用ENC28J60和FPGA設(shè)計通用以太網(wǎng)控制器[J].電子產(chǎn)品世界,2005(21).

[4]ENC28J60數(shù)據(jù)手冊—帶SPI接口的獨立以太網(wǎng)控制器,Microchip Technology Inc,2006.

[5]黃佳瑋,陳福深.基于NiosⅡ的SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用,2009.