基于千兆以太網(wǎng)的多通道沖擊波超壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 晉，王代華，劉 彬，唐 宏，張琳清

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；3.晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 防務(wù)裝備研究院，山西 太原 030051；4.山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西 太原 030000）

在迅猛發(fā)展的軍工領(lǐng)域中，導(dǎo)彈毀傷作用的評(píng)判來源于戰(zhàn)斗部在爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波以及破片的相關(guān)測(cè)試。沖擊波超壓測(cè)試的需求日漸增長(zhǎng)，測(cè)試的方式也呈現(xiàn)多樣化，包括存儲(chǔ)測(cè)試法和引線電測(cè)法，存儲(chǔ)測(cè)試法依靠傳感器與數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊相結(jié)合的方式，可避免產(chǎn)生引線電測(cè)法由于電纜受到電磁干擾產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，進(jìn)而在沖擊波超壓測(cè)試領(lǐng)域得到長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍不夠完善。在坑道環(huán)境中，隨著導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部威力的增大，爆炸沖擊波造成的毀傷范圍同樣擴(kuò)大，為保證沖擊波超壓測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)試方案需要更多的測(cè)試點(diǎn)分布在現(xiàn)場(chǎng)布局中，更多的布點(diǎn)面臨的問題之一就是如何準(zhǔn)確快速地回讀數(shù)據(jù)。本文針對(duì)多通道沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)所需的大量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)男枰?，?duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行研究，優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。

1 系統(tǒng)總體邏輯設(shè)計(jì)

超壓測(cè)試系統(tǒng)完成了對(duì)16 個(gè)坑道沖擊波測(cè)點(diǎn)的模擬信號(hào)的接收，并通過多路模擬開關(guān)和ADC 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再將大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至eMMC 陣列，待爆炸結(jié)束后通過千兆以太網(wǎng)接口讀取數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 超壓測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 以太網(wǎng)通信關(guān)鍵技術(shù)

2.1 千兆以太網(wǎng)硬件電路設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)接口的硬件電路設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)中FPGA 與PC 端之間的數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)年P(guān)鍵，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，即TCP/IP 協(xié)議能夠保證數(shù)據(jù)完整并快速傳輸。底層配置由FPGA 內(nèi)部的三速以太網(wǎng)IP 核完成，利用PHY 芯片實(shí)現(xiàn)物理層的功能，傳輸層以及數(shù)據(jù)鏈路層分別使用UDP協(xié)議和ARP協(xié)議，通過FPGA編程實(shí)現(xiàn)。

該沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)選用的千兆網(wǎng)PHY 芯片為RTL8211EG，該芯片兼容1 000 Mb/s 的傳輸速率，支持GMII、RGMII、MII 接口，符合IEEE 802.3 的標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)物理層與上層之間的通信。本設(shè)計(jì)使用的是GMII 接口模式，硬件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖2 所示。MAC 層的驅(qū)動(dòng)向PHY 芯片發(fā)送使能信號(hào)、端口信號(hào)、錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)及發(fā)送時(shí)鐘，PHY 芯片向MAC 層發(fā)送使能信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)、錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)及接收時(shí)鐘。PHY 芯片連接一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器，其目的是把PHY 芯片送出來的差分信號(hào)用差模耦合的線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號(hào)，并且通過電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換耦合到不同電平連接的網(wǎng)線的另外一端。通過RJ 45 的端口與超5 類的屏蔽雙絞線連接，完成測(cè)試系統(tǒng)與PC 端的數(shù)據(jù)通信。PHY 芯片的電路圖如圖3 所示。

圖2 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)架構(gòu)

圖3 PHY 芯片硬件電路圖

2.2 ARP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

UDP 數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收通過FPGA 控制PHY 芯片實(shí)現(xiàn)，在此之前，需要判斷PC 端與測(cè)試系統(tǒng)是否連接，數(shù)據(jù)包必須事先經(jīng)過物理層并在測(cè)試系統(tǒng)取得PC端的MAC 地址及IP 地址后，才能進(jìn)入數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，本設(shè)計(jì)使用ARP 協(xié)議，即地址解析協(xié)議實(shí)現(xiàn)MAC 地址的獲取。

ARP 協(xié)議的工作流程為：FPGA 向PC 端發(fā)送ARP請(qǐng)求幀，并接收返回消息，以此確定目標(biāo)的MAC 地址；收到返回消息后將該IP 地址和物理地址存入ARP 緩存中并保留一定時(shí)間，下次請(qǐng)求時(shí)直接查詢ARP 緩存以節(jié)約資源。令FPGA 為A，PC 端為B，工作流程見圖4。

圖4 ARP 協(xié)議獲取MAC 地址流程

2.3 UDP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)

UDP 協(xié)議即用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，相較于TCP，UDP 協(xié)議是一個(gè)無狀態(tài)的傳輸協(xié)議，沒有TCP 的握手、確認(rèn)、窗口、重傳、擁塞控制機(jī)制，使得數(shù)據(jù)傳輸速度更快，更多的使用在快速傳輸大量數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。

在經(jīng)過ARP 協(xié)議完成地址解析后，利用UDP 協(xié)議完成數(shù)據(jù)包的收發(fā)任務(wù)，UDP 協(xié)議分為兩個(gè)模塊，即UDP 發(fā)送模塊和UDP 接收模塊。UDP 發(fā)送模塊完成了IP 包頭的校驗(yàn)、UDP 數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)、MAC 幀封裝及數(shù)據(jù)發(fā)送。UDP 發(fā)送模塊設(shè)計(jì)步驟為：

1）IP 包頭校驗(yàn)。將數(shù)據(jù)從FIFO 中讀出后，把IP 數(shù)據(jù)包的首部置0，對(duì)首部的每16 位進(jìn)行二進(jìn)制反碼求和，得到的結(jié)果取反后存入校驗(yàn)和字段中；

2）UDP數(shù)據(jù)包校驗(yàn)。在UDP數(shù)據(jù)包之前加上12 bit的偽首部，包含源IP 地址、目的IP 地址和校驗(yàn)和，使之成為UDP 包頭的一部分，得到臨時(shí)的僅用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)的UDP 數(shù)據(jù)包，對(duì)UDP 包頭及UDP 數(shù)據(jù)包進(jìn)行二進(jìn)制反碼求和，得到的結(jié)果取反完成UDP 數(shù)據(jù)包校驗(yàn)并存放在UDP 包頭中。

3）MAC 幀封裝。以MAC 幀封裝的格式生成MAC頭和IP 頭，構(gòu)成一個(gè)完整的MAC 幀發(fā)送。

UDP 接收模塊完成了UDP 數(shù)據(jù)幀格式的檢驗(yàn)及UDP 數(shù)據(jù)包接收。UDP 接收模塊設(shè)計(jì)步驟為：

1）UDP 數(shù)據(jù)幀格式檢驗(yàn)。對(duì)接收到的MAC 幀進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，判斷數(shù)據(jù)包類型、端口號(hào)以及UDP 包頭的校驗(yàn)和。

2）數(shù)據(jù)接收。在UDP 數(shù)據(jù)幀格式檢驗(yàn)完成后，將IP 包頭及UDP 包頭取消，得到完整的UDP 數(shù)據(jù)。

2.4 CRC 校驗(yàn)算法

面對(duì)龐大數(shù)據(jù)量在以太網(wǎng)傳輸時(shí)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，通常使用CRC 校驗(yàn)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯(cuò)。CRC 是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中使用最廣泛的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼，CRC 校驗(yàn)算法利用模2 除法得余數(shù)的原理檢測(cè)錯(cuò)誤，即對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行二進(jìn)制除法，得到的余數(shù)就是校驗(yàn)碼，再將校驗(yàn)碼加到要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀之后，使之成為一個(gè)新數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去，CRC 校驗(yàn)原理如圖5 所示。

圖5 CRC 校驗(yàn)原理

發(fā)送端將待發(fā)送的原始數(shù)據(jù)（），利用模2 除法求得余數(shù)（），是生成多項(xiàng)式（）的長(zhǎng)度減1，將CRC校驗(yàn)碼加在數(shù)據(jù)后面得到實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端，接收端進(jìn)行模2 除法計(jì)算余數(shù)，余數(shù)為0 則表示數(shù)據(jù)在傳輸中沒有錯(cuò)誤，余數(shù)不為0 則表示發(fā)生了錯(cuò)誤。為使8 位數(shù)據(jù)并行輸入以保證數(shù)據(jù)校驗(yàn)速度，本文使用CRC?32 校驗(yàn)算法，標(biāo)準(zhǔn)的CRC?32 生成多項(xiàng)式為：

模2 除法的電路實(shí)現(xiàn)是CRC?32 校驗(yàn)算法的關(guān)鍵，本文采用移位寄存器以及異或門完成模2除法的組合邏輯實(shí)現(xiàn)。CRC?32校驗(yàn)算法在串行模式下的余數(shù)項(xiàng)為：

其中data 為串行輸入的數(shù)據(jù)，crc_state 為當(dāng)前的移位寄存器狀態(tài)，crc_next 為移位寄存器的下一個(gè)狀態(tài)。依靠此原理，CRC?32 是8 位數(shù)據(jù)并行輸入，是在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成8 次串行運(yùn)算，以迭代運(yùn)算的方法將8 位數(shù)據(jù)有低位到高位依次處理，令校驗(yàn)碼為crc_next，則CRC?32 校驗(yàn)算法在并行模式下得到的校驗(yàn)碼的關(guān)鍵代碼部分如下：

CRC?32 校驗(yàn)算法的驗(yàn)證采取仿真分析的方式，輸入的數(shù)據(jù)為00，F(xiàn)F，00，00，仿真結(jié)果如圖6 所示。得到的結(jié)果為8FD73BF9，再使用CRC 在線計(jì)算工具求得結(jié)果同樣為8FD73BF9，驗(yàn)證了CRC?32 校驗(yàn)算法的準(zhǔn)確性。在10 MHz 的時(shí)鐘周期下校驗(yàn)1 000 bit 的數(shù)據(jù)，串行算法需要（1 000×8+32）÷（10 MHz）=803.2 μs，而并行算法只需要1 000÷（10 MHz）=100 μs，說明并行的CRC校驗(yàn)算法大幅提升了數(shù)據(jù)校驗(yàn)的速度，同時(shí)在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時(shí)也提高了超壓測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取效率。

圖6 CRC?32 功能仿真圖

圖7 CRC?32 在線計(jì)算

3 系統(tǒng)功能驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)的以太網(wǎng)傳輸功能驗(yàn)證是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手以及網(wǎng)絡(luò)封包分析工具Wireshark 完成驗(yàn)證。由網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手確認(rèn)PC 端和測(cè)試系統(tǒng)的IP 地址是否相同并負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)與PC 端的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手進(jìn)行數(shù)據(jù)輸送時(shí)，Wireshark 可以在輸送數(shù)據(jù)期間截取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，可以顯示時(shí)間戳、源IP 地址、目標(biāo)IP 地址、協(xié)議類型、包長(zhǎng)、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層等詳細(xì)信息，進(jìn)而可以分析以太網(wǎng)通信是否出現(xiàn)錯(cuò)誤并進(jìn)行錯(cuò)誤分析。將測(cè)試系統(tǒng)的IP 地址設(shè)置為192.168.1.10，將PC端以太網(wǎng)端口的IP 地址設(shè)置為192.168.1.102。通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)“Ethernet：20210701：11：45”給測(cè)試系統(tǒng)，發(fā)送數(shù)據(jù)信息如圖8 方框1 所示。測(cè)試系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)會(huì)在如圖8 方框2 中顯示，接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)相同，成功驗(yàn)證了系統(tǒng)邏輯功能的正確性。Wireshark 網(wǎng)絡(luò)封包工具截取數(shù)據(jù)如圖9 所示，以UDP幀格式發(fā)送的數(shù)據(jù)包如圖9 方框1 所示，接收的數(shù)據(jù)包如圖9 方框2 所示，按照UDP 幀格式，數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制發(fā)送和接收，驗(yàn)證了千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

圖8 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手收發(fā)界面

圖9 Wireshark 截取數(shù)據(jù)界面

為驗(yàn)證本系統(tǒng)用于實(shí)際測(cè)試中的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)精確性，此系統(tǒng)參與了兩次坑道爆炸試驗(yàn)測(cè)試?？拥酪粋?cè)的防護(hù)墻壁面正中心有1 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)位距離爆炸中心分別為15 m 和18 m，且兩發(fā)均為相同當(dāng)量?，F(xiàn)場(chǎng)布置在坑道壁面的點(diǎn)位如圖10 所示。

圖10 坑道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)照片

測(cè)試曲線如圖11、圖12 所示。從接收到的測(cè)試曲線看出，該以太網(wǎng)接口可以成功應(yīng)用于超壓測(cè)試系統(tǒng)。

圖11 距爆炸中心15 m 處的超壓曲線

圖12 距爆炸中心18 m 處的超壓曲線

4 結(jié)論

多通道沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)利用FPGA 實(shí)現(xiàn)了對(duì)千兆以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)的邏輯控制，通過ARP 協(xié)議和UDP 協(xié)議完成了地址解析及數(shù)據(jù)包傳輸，使用CRC?32算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速檢錯(cuò)并通過仿真驗(yàn)證。利用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手完成了測(cè)試系統(tǒng)與PC 端的數(shù)據(jù)傳輸，又經(jīng)過兩次現(xiàn)場(chǎng)沖擊波超壓試驗(yàn)將有效數(shù)據(jù)讀出。成功驗(yàn)證了千兆以太網(wǎng)接口可應(yīng)用于多通道沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)，在提高了傳輸速度的同時(shí)兼具傳輸穩(wěn)定性。