基于FPGA與千兆以太網(wǎng)的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成雅麗， 李錦明， 成乃朋

(中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院， 太原 030051)

0 引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)大容量數(shù)據(jù)的傳輸速度提出了越來越高的要求。為了能夠?qū)崟r(shí)、有效地采集和傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提出了一個(gè)基于FPGA與以太網(wǎng)的測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。針對(duì)某設(shè)備發(fā)出的前端數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行采集與測試。FPGA具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及使用范圍寬的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程靈活[1]。設(shè)計(jì)運(yùn)用FPGA內(nèi)部程序并行處理的特點(diǎn)，結(jié)合千兆以太網(wǎng)的高速運(yùn)行速度，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，并發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)采用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Datagram Protocol, UDP)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效率傳輸。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要由FPGA主控、A/D采集、16路無源觸點(diǎn)開關(guān)信號(hào)輸出、64路模擬電壓輸出、6路串口通信、電壓檢測和千兆以太網(wǎng)通信等模塊組成。FPGA主控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)7路AD采集、6路串口、電壓檢測以及千兆以太網(wǎng)等模塊的控制；千兆以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與板卡之間的通信。系統(tǒng)采用220 V交流電供電，利用AC/DC電源適配器將220 V交流電轉(zhuǎn)換成28 V直流電源，然后通過DC/DC轉(zhuǎn)換器將28 V直流電壓轉(zhuǎn)換成5 V直流電源給所需模塊供電，采用TPS70358、TPS70345電源轉(zhuǎn)換芯片將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V、2.5 V、1.2 V直流電源，負(fù)責(zé)給FPGA以及所需模塊供電。系統(tǒng)工作電流≤0.2 A，并且內(nèi)部電源與供電電源隔離。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.1 A/D采集模塊

A/D轉(zhuǎn)換單元負(fù)責(zé)將7路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸出到FPGA。系統(tǒng)采用了8通道8 bits A/D轉(zhuǎn)換器AD7908，該轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)對(duì)8路輸入信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換[2]。A/D采集電路如圖2所示。

圖2 A/D采集電路

1.2 無源觸點(diǎn)開關(guān)信號(hào)輸出模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了16路無觸點(diǎn)開關(guān)，每路負(fù)載容量為28 V/100 mA。利用FPGA控制光電耦合器實(shí)現(xiàn)對(duì)無觸點(diǎn)開關(guān)的電隔離控制[3]。單路無觸點(diǎn)開關(guān)接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

1.3 串口通信模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了6組RS422數(shù)據(jù)接口，芯片選用MAX13433EETD+，按照RS422典型電路搭建數(shù)據(jù)接口，碼速率大于10 Mb/s，滿足任務(wù)需要，并且在接收端添加保護(hù)電路，防止外部電壓輸入不穩(wěn)定造成的芯片損壞。串口收發(fā)電路如圖4所示。

圖3 單路無源觸點(diǎn)開關(guān)電路

圖4 串口收發(fā)電路

1.4 電壓檢測模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對(duì)0～32 V電壓檢測時(shí)，需要將該電壓信號(hào)與測試臺(tái)其他信號(hào)進(jìn)行隔離。將28 V直流電源轉(zhuǎn)換成-5 V電源，利用轉(zhuǎn)換而成的±5 V電壓為隔離運(yùn)放芯片ISO124供電。同時(shí)，利用兩個(gè)電阻進(jìn)行分壓，將需檢測的電壓信號(hào)分壓為0～5 V電壓，并連接至ISO124芯片的輸入端，從而產(chǎn)生可被A/D芯片識(shí)別的電壓。為了保持電壓穩(wěn)定，ISO124的輸出端先連接至電壓跟隨器[4],對(duì)輸出電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并發(fā)送至FPGA進(jìn)行判斷。電壓檢測電路部分原理圖如圖5所示。

圖5 電壓檢測電路

1.5 千兆以太網(wǎng)傳輸模塊

系統(tǒng)采用RTL8211以太網(wǎng)GPHY芯片，支持10/100/1 000 b/s網(wǎng)絡(luò)速率[5]。圖6所示為RTL8211與FPGA的電路連接示意圖。

圖6 RTL8211與FPGA的電路連接示意圖

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接至千兆以太網(wǎng)時(shí)，F(xiàn)PGA和PHY芯片RTL8211EG的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)通過千兆媒體獨(dú)立接口(Gigabit Medium Indpendent Interface,GMII)總線通信，發(fā)送時(shí)鐘E_GTXC由FPGA提供，頻率為125 MHz，數(shù)據(jù)為TXD0～TXD7，數(shù)據(jù)有效信號(hào)為TXEN[6]。接收時(shí)鐘E_RXC由PHY芯片提供，數(shù)據(jù)為RXD0～RXD7，數(shù)據(jù)有效信號(hào)為RXDV，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿采樣[7]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

FPGA程序是在ISE中通過Verilog語言編寫的[8]。系統(tǒng)接收來自某設(shè)備的6路波特率為115 200 b/s的RS422數(shù)據(jù)，并且對(duì)其輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采集。系統(tǒng)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行仲裁編幀，然后通過以太網(wǎng)模塊將其上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示，以驗(yàn)證其正確性。

2.1 數(shù)據(jù)采集與編幀邏輯設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了8位逐次逼近型AD7908，設(shè)置采樣方式為8路循環(huán)采樣，采樣頻率為1kHz[9]。第8路為無用數(shù)據(jù)，所以將第8路數(shù)據(jù)設(shè)置為固定值“EB”，這樣在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)就能通過“EB”標(biāo)志將7路數(shù)據(jù)解析出來。如圖7所示，對(duì)A/D采集模塊進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，從圖中可以看出，A/D模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)7路數(shù)據(jù)的循環(huán)采集。

圖7 A/D采集模塊仿真圖

由于系統(tǒng)要同時(shí)完成6路RS422數(shù)據(jù)和7個(gè)通道模擬信號(hào)的采集，因此為了防止數(shù)據(jù)接收混亂導(dǎo)致數(shù)據(jù)失效，在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)每一路數(shù)據(jù)添加幀頭。將7個(gè)通道的模擬信號(hào)認(rèn)為是第6路進(jìn)行接收，待上位機(jī)接收到該通道數(shù)據(jù)后再對(duì)其進(jìn)行解析。系統(tǒng)采用4個(gè)字節(jié)的幀標(biāo)記，依次為BEH、90H、通道標(biāo)識(shí)以及一個(gè)字節(jié)的幀計(jì)數(shù)。表1列出了7路數(shù)據(jù)的幀頭標(biāo)志。

表1 4通道數(shù)據(jù)的幀頭標(biāo)志

系統(tǒng)設(shè)置存儲(chǔ)器(First In First Out,FIFO)的大小為2 KB，在FIFO半滿信號(hào)有效時(shí)輸出數(shù)據(jù)并增加4個(gè)字節(jié)的幀標(biāo)志位至以太網(wǎng)模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的仲裁和編幀[10]。即千兆網(wǎng)模塊每次讀取1 024 Byte發(fā)送至上位機(jī)。接收數(shù)據(jù)完畢后，在上位機(jī)軟件中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。

2.2 以太網(wǎng)模塊邏輯設(shè)計(jì)

2.2.1 千兆以太網(wǎng)測試模塊

千兆以太網(wǎng)測試模塊采用的是UDP，F(xiàn)PGA通過GMII總線和以太網(wǎng)模塊的Gigabit PHY芯片RTL82IIEG通信[11]，Gigabit PHY芯片通過網(wǎng)線和PC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。千兆以太網(wǎng)模塊與PC的數(shù)據(jù)通信圖如圖8所示。

圖8 千兆以太網(wǎng)模塊與PC的連接圖

2.2.2 UDP協(xié)議

UDP是面向非連接的協(xié)議，只需知道對(duì)方的IP地址和端口號(hào)就可以將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去[12]。UDP占用網(wǎng)絡(luò)資源較少，數(shù)據(jù)處理快，在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)受環(huán)境影響較少，不太容易出錯(cuò)。UDP報(bào)文格式如圖9所示。由于UDP是傳輸層(transport layer)協(xié)議，位于應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間，因此UDP數(shù)據(jù)包需要經(jīng)過IP協(xié)議的封裝傳至電腦[13]。

圖9 UDP報(bào)文格式

2.2.3 以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)檢測

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，采用Wireshark工具進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)抓包，如圖10所示，測試系統(tǒng)與電腦完成了連接，由圖中可以看出，源MAC Address為(00:0a:35:01:fe:c0)，類型為IP(0x800)。

如圖11所示，UDP數(shù)據(jù)包中包含1 024 Byte，IP包總長度為1 052 B(04c1)，端口號(hào)為8080。

圖10 Wireshark抓包圖1

圖11 Wireshark抓包圖2

測試系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，當(dāng)UDP發(fā)送模塊檢測到FIFO半滿信號(hào)時(shí)，就將數(shù)據(jù)組成UDP IP包格式通過GMII總線發(fā)送給PHY芯片，PHY芯片再將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口上發(fā)至PC。IP數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，首先發(fā)送IP數(shù)據(jù)包的包頭，IP 包頭由 8 Byte的前導(dǎo)碼，目標(biāo)MAC Address，源MAC Address和2 Byte的IP包類型組成。前導(dǎo)碼是由 7個(gè)0x55,1個(gè)0xD5 字節(jié)組成，表示一個(gè)IP 數(shù)據(jù)包傳輸?shù)拈_始[14]。如圖12所示，發(fā)送第一路RS422數(shù)據(jù)給上位機(jī)，利用Chipscope 對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示，以太網(wǎng)模塊可靠地完成了數(shù)據(jù)的傳輸。

圖12 千兆以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

經(jīng)過實(shí)際測試，UDP通信的速度可達(dá)900 Mb/s以上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)采用Visual Basic語言編寫上位機(jī)軟件，提供了友好的人機(jī)交互界面[15]。 硬件電路中對(duì)要接收的電壓進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

表2 測試電壓標(biāo)定結(jié)果表

上位機(jī)接收的原始數(shù)據(jù)如圖13所示。利用Matlab對(duì)RS422數(shù)據(jù)中的幀計(jì)數(shù)進(jìn)行提取和波形顯示，如圖14所示，數(shù)據(jù)未出現(xiàn)丟幀和錯(cuò)幀現(xiàn)象。在上位機(jī)軟件中選擇電壓信號(hào)通道號(hào)，以波形的形式進(jìn)行顯示，如圖15～21所示。對(duì)比其標(biāo)定值，可以確定電壓信號(hào)均在正常范圍內(nèi)。

圖13 上位機(jī)接收的原始數(shù)據(jù)

圖14 RS422幀計(jì)數(shù)顯示

圖15 通道1電壓28 V波形顯示

圖16 通道2電壓28 V波形顯示

圖17 通道3電壓28 V波形顯示

圖18 通道4電壓+15 V波形顯示

圖19 通道5電壓-15 V波形顯示

圖20 通道6電壓5 V波形顯示

圖21 通道7電壓28 V波形顯示

4 結(jié) 語

系統(tǒng)針對(duì)前端大容量數(shù)據(jù)的高速傳輸，設(shè)計(jì)了基于FPGA和以太網(wǎng)的測試系統(tǒng)。在聯(lián)調(diào)過程中觀察和分析測試結(jié)果，系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和分析處理，通過千兆以太網(wǎng)模塊，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)的傳輸，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和波形顯示，測試結(jié)果良好。基于千兆以太網(wǎng)的測試系統(tǒng)硬件占用資源少，傳輸速率高，有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。