基于以太網(wǎng)的高可靠性綜合控制技術(shù)研究

孫宇偉 王懷俠 郭燕紅 石炎

（北京精密機電控制設(shè)備研究所 北京市 100076）

科技高速的發(fā)展，對于通信傳輸中特別是遠程數(shù)據(jù)傳輸可靠性非常重要。在開發(fā)嵌入式和其嵌入式軟件，也已經(jīng)利用以太網(wǎng)來發(fā)送和接收信號，并且在不同控制系統(tǒng)平臺之間相互通信傳輸，眼下集成度很高的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模式正在飛速發(fā)展，但是也演變成在很多控制系統(tǒng)在各個的設(shè)計平臺之間相互連接通信，實現(xiàn)集中化控制，嵌入式硬件和嵌入式軟件兩者并行處理數(shù)據(jù)的重要性以及優(yōu)異性已經(jīng)變成更加明顯。基于Xilinx Zynq-7000 芯片，其芯片集成雙核處理器PS 和基于可編程邏輯系統(tǒng)PL，并且運用以太網(wǎng)芯片W5300 來實現(xiàn)主控芯片和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，并運用UDP 對上位機與控制板之間的通信傳輸進行試驗，實現(xiàn)了PL 和上位機之間的通信試驗。以太網(wǎng)在實現(xiàn)超高速傳輸數(shù)據(jù)有非常明顯的優(yōu)勢，并且可以直接接入互聯(lián)網(wǎng)，同時可以提供進行遠程大范圍的訪問需求。電路板設(shè)計中首次運用了基于模塊化設(shè)計的思想，設(shè)計者可以非常便捷而且快速的進行設(shè)計和利用軟件進行仿真試驗，從而縮短了印制板開發(fā)的難度和周期。

運用以太網(wǎng)芯片進行傳輸數(shù)據(jù)目前是局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)中最盛行的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。與RS-485 和CAN 總線這些傳統(tǒng)傳輸協(xié)議相對比，以太網(wǎng)在高速和高可靠傳輸數(shù)據(jù)中有突出的優(yōu)勢，而且以太網(wǎng)芯片還可以直接與互聯(lián)網(wǎng)之間相連接通信，能夠提供非常大的遠程通信控制。

1 電路方案設(shè)計

本文核心設(shè)計的接口選用Xilinx 公司 ZYNQ 7000 系列XA7Z020 芯片的可編程邏輯系統(tǒng)，這款芯片內(nèi)部有大量邏輯資源，便于配置接口；用于以太網(wǎng)接口的芯片采用WIZnet 公司設(shè)計的硬件協(xié)議棧芯片W5300。硬件設(shè)計原理圖如圖1所示，其工作原理：XA7Z020 芯片上面的可編程邏輯系統(tǒng)（PL）通過自帶邏輯程序控制W5300 芯片的數(shù)據(jù)總線和地址總線、芯片讀寫和數(shù)據(jù)位選擇信號，用VIVADO 平臺通過配置文件來實現(xiàn)對W5300 的初始化配置、數(shù)據(jù)讀寫和主控單元通信。主控單元通過UDP 調(diào)試軟件來設(shè)置與以太網(wǎng)芯片W5300 的接口模塊所對應(yīng)的IP，通過數(shù)據(jù)的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收來命令實現(xiàn)主控單元與主控芯片模塊中PL 通信。

以太網(wǎng)W5300 芯片具備了10 兆以及百兆的以太網(wǎng)控制器，MAC 和TCP/IP 協(xié)議棧，因此XA7Z020 只需要編寫簡單的TCP/IP協(xié)議，就可以大幅度降低硬件之間的接口以及網(wǎng)絡(luò)通信間的工作，同時大大的縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和開發(fā)難度，并實現(xiàn)高可靠控制，并且具備遠程數(shù)據(jù)交換。

圖1：以太網(wǎng)接口硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2：以太網(wǎng)硬件連接圖

圖3：W5300 地址

圖4：上位機地址

圖5：數(shù)據(jù)傳輸測試

本文針對高可靠性的傳輸，所有PCB 印制板上面的電阻選用精度為1%國軍標(biāo)級電阻以及體積小而且具有超高可靠性的軍標(biāo)電容；在原理圖布線的同時，電阻和電容都緊挨著主控芯片和以太網(wǎng)芯片放置；這樣避免了因電阻精度問題和濾波電容因擺放位置不合適而導(dǎo)致傳輸信號受到影響，導(dǎo)致設(shè)計失敗的問題。PCB 在布線時，嚴(yán)格按照設(shè)計規(guī)范要求，對于差分信號來說，按照平行線的方式進行布線，而且控制線的距離，將芯片和布線距離盡可能的走線最短而且避免走彎線原則；對于地線，采用大面積鋪銅的方式，并且與信號線隔開，避免了地線對信號的干擾，實現(xiàn)了高可靠性的傳輸。

XA7Z020 芯片是集成了ARM 公司的雙核處理器PS 和可邏輯控制單元PL，這樣的架構(gòu)，既可以交互發(fā)送控制指令，從而避免了交互過程中因不同芯片之間產(chǎn)生干擾。本文主要是通過XA7Z020芯片的可邏輯控制單元PL 部分來配置與以太網(wǎng)芯片進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腂IT16EN 接口，當(dāng)BIT16EN 接收高電平信號時，這時候主控芯片的數(shù)據(jù)傳輸為16 位，將TEST_MODE 的引腳接到地上拉低電平、OP_MODE 引腳與控制芯片的可邏輯編程控制PL 內(nèi)。在電路可靠性的設(shè)計原則上，保證其他電路的接口性能也得干擾小而且傳輸速率高，因為關(guān)系到在所有以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸過程中的抗干擾能力；以太網(wǎng)芯片W5300 在其數(shù)據(jù)傳輸過程中保障對于差分信號不受到影響，采用平行線的布線方式，同時降低芯片的供電電壓3.3V 以及通過內(nèi)部的線路傳輸而損壞其他芯片，以太網(wǎng)芯片與RJ45 接口之間設(shè)計了長嶺邁騰的網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器hx1144l，此款芯片的傳輸頻率可達到300 MHz，不僅可以滿足高速以太網(wǎng)傳輸中對頻率要求，而且可以防止引入的電平對接口電路的影響。

以太網(wǎng)芯片W5300 在其芯片的引腳輸出輸入端放置了綠色的識別LED 燈，當(dāng)主控芯片XA7Z020 和W5300 之間的接口通信正常時綠色LED 燈的外引腳有低電平輸出；以太網(wǎng)芯片5300 在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，此款芯片在發(fā)送端引腳處的LED 燈觸發(fā)變亮，此時引腳為低電平輸出，反之在以太網(wǎng)芯片5300 芯片的接收端放置LED 燈，當(dāng)燈變亮?xí)r，該引腳為高電平輸出，說明這時在接收數(shù)據(jù)信號；實時顯示主控芯片與W5300 之間數(shù)據(jù)傳輸。W5300 與主控芯片PL 連接原理如圖2所示。

2 軟件實施設(shè)計

現(xiàn)已完成基于SOPC 技術(shù)的ZYNQ XA7Z020 芯片的高速以太網(wǎng)通信研制，本文對于以太網(wǎng)傳輸使用的調(diào)試助手為UDP 調(diào)試助手軟件，可以實現(xiàn)對主控芯片XA7Z020 控制的W5300 以太網(wǎng)相互通信之間測試。此款調(diào)試助手軟件可以實時顯示出當(dāng)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，便于通信之間隨時掌握狀態(tài)的依據(jù)。圖3和圖4中所示，運用軟件將以太網(wǎng)芯片W5300 的IP 地址設(shè)置為：192.168.0.20，上位機的物理IP 地址設(shè)置為 192.168.0.30，運用主控芯片XA7Z020 的專用編程系統(tǒng)VIVADO 進行相互鏈接，當(dāng)鏈接成功后，軟件顯示鏈接成功；然后運用調(diào)試小助手UDP 點擊上面的發(fā)送或者讀取數(shù)據(jù)給W5300 芯片發(fā)送信號，然后通過以太網(wǎng)W5300 周圍放置的綠色LED 指示燈的點亮或者熄滅來觀察判斷以太網(wǎng)是連接狀態(tài)以及兩者之間數(shù)據(jù)傳輸情況，從而進一步查看上位機與以太網(wǎng)控制板的通信動狀態(tài)。

調(diào)試助手UDP 按照發(fā)送數(shù)據(jù)的模式向以太網(wǎng)芯片W5300 通過接口向主控芯片可編程邏輯系統(tǒng)下發(fā),同時并配置了發(fā)送數(shù)據(jù)量和所需要選擇的延時情況，將圖5內(nèi)的數(shù)發(fā)送給編程邏輯系統(tǒng)，調(diào)試助手點讀取數(shù)據(jù),可編程邏輯系統(tǒng)第一時間判斷接收到的數(shù)據(jù)包是否為圖5內(nèi)的數(shù),主控芯片的可編程邏輯系統(tǒng)通過程序來設(shè)置以太網(wǎng)芯片，并且將打印出的數(shù)據(jù)不斷通過以太網(wǎng)芯片的發(fā)送通道傳到給UDP 內(nèi)。在調(diào)試助手軟件上面通過查看接收到的數(shù)據(jù)包，與可編程邏輯系統(tǒng)程序內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)是否相同。通過調(diào)試助手UDP 對基于可編程邏輯系統(tǒng)控制以太網(wǎng)芯片W5300 的接口數(shù)據(jù)雙向通信試驗，通過試驗驗證表明本文設(shè)計高可靠性以太網(wǎng)綜合控制技術(shù)的能夠有效的實現(xiàn)主控芯片和以太網(wǎng)芯片以及上位機傳輸通信。

3 結(jié)論

本文設(shè)計基于Xilinx Zynq-7000 芯片，其芯片集成雙核處理器PS 和基于可編程邏輯系統(tǒng)PL，并且運用以太網(wǎng)芯片W5300 來實現(xiàn)主控芯片和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，并運用UDP 對上位機與控制板之間的通信傳輸進行試驗，實現(xiàn)了PL 和上位機之間的通信試驗。以太網(wǎng)在實現(xiàn)超高速傳輸數(shù)據(jù)有非常明顯的優(yōu)勢，并且可以直接接入互聯(lián)網(wǎng)，同時可以提供進行遠程大范圍的訪問需求。電路板設(shè)計中首次運用了基于模塊化設(shè)計的思想，設(shè)計者可以非常便捷而且快速的進行設(shè)計和利用軟件進行仿真試驗，從而縮短了印制板開發(fā)的難度和周期。