数据采集系统网络传输平台设计-副本.pdf

数据采集系统网络传输平台设计 章涛，王永纲，陈俊，都军伟 (中国科学技术大学近代物理系，合肥230026) 摘要。通过以太网传输数据具有组网方便，扩展性好，传输距离远等优点，因此很多地方采用。目 前实现以太网传输一般是使用CPU运行操作系统来完成，设计较为复杂。并且CPU在产生 接口时序方面较为不便，很多时候需要用FPGA+CPU的方式。我们设计了一个网络传输平 台，使用FPGA来控制硬件化的TCP／IP协议栈芯片来完成网络传输，避免了由于使用CPU 带来的一些问题。同时平台具有大容量的存储器，剩余丰富的IO管脚，适合数据采集系统 中的数据传输的应用。 关键字l数据采集、网络传输、W5300 l 背景介绍 数据采集很多时候需要将数据传输到远程计算机，也有些采集系统有很多采集点，比如火灾传 感器，这就需要数据传输部分能够方便地组网。在短距离内USB传输和1394火线传输【1】都是一个 较为理想的方法，但涉及到远距离传输和组网时，它们就不是那么方便了。所以很多时候通过以太 网传输采集到的数据是一种较好的方式。目前设备实现联网的做法一般是使用CPU运行操作系统， 由操作系统里的软件协议栈完成对TCP／IP协议的处理。这种方式需要编写CPU与数据采集部分接 口的驱动和网络通讯的传输软件，开发工作量较大，设计较为复杂。并且CPU在产生接口时序方 面较为不便，很多时候需要用FPGA+CPU的方式：FPGA完成与数据采集部分接口时序的产生和 数据的缓存，CPU完成数据传输【2】。因为数据采集系统中经常会使用FPGA，如果能用FPGA和少 量易用的外围器件实现网络传输则是一种较为理想的方式。我们设计了一个网络传输平台，主要包 括FPGA、DDR芯片和硬件化的网络协议栈芯片，可以通过以太网和计算机通讯，将数据传输到计 算机中。 2 平台结构 平台结构包括硬件上的结构和FPGA逻辑结构。其结构如图l所示。其中数据采集模块是数据 采集系统的传输平台需要的一个模块，但是目前没有，可以根据实际需要进行开发。 DDR芯片 MT46Vl28M8 轰据 数据采! 栈芯片目 采集 集接口： p 部分 模块i 莩捻莲 雠W5300l 图l平台结构图 2．1硬件结构 平台主要包括三个部分：FPGA，DDR存储芯片和网络协议栈芯片。FPGA为平台的主控芯片， II 使用Alter EP2C20F256，该FPGA具有1 Cyclone 式乘法器，4个PLL，152个用户可用管脚，封装采用256脚Fmeline BGA[3】，体积较小。 DDR存储芯片使用MICRON DDR单片芯片中容量最大的。芯片最高可工作在167MHz。使用DDR对布板有较高的要求，我们 在布板时考虑到了过孔和焊盘长度对走线长度的影响，保证了对同一组数据线和时钟的精确等长布 线。通过估计信号的回流路径进行走线和参考平面分割，以保证信号回路阻抗的连续性，减小信号 之间的串扰。选择了适当的线宽、叠层方式及叠层厚度，使得单端走线的阻抗控制在50欧姆，差 分走线阻抗在100欧姆，以确保传输线的阻抗匹配。这些措施保证了良好的信号的完整性，提高了 时序余度，降低了对DDRIPCore的时间参数精确性的要求，为平台的稳定运行打下了基础。 网络协议栈芯片使用的是WIZNET 层、数据链路层、网络层和数据传输层的任务，将控制器从复杂的网络协议处理中解脱出来，提供 了一个易于实现的网络传输方式。芯片提供了并行接口和串行接口，可工作在直接寻址模式和间接 寻址模式。因为本设计目的之一是为了提供高性能的网络传输，同时黜具有丰富的管脚资源， 因此我们选取了并行接口，工作在直接寻址模式。 2．2FPGA逻辑结构 在进行FPGA逻辑编写时采用了模块化设计，结构主要包括四个部分：DDR接口模块