劉巖俊,閆海霞,張磊

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033；2.吉林大學(xué)電子學(xué)院，吉林長春130012)

以太網(wǎng)接口和RS422串行通信接口作為目前應(yīng)用最廣泛的兩種通信接口，被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。傳統(tǒng)的使用計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口和串口轉(zhuǎn)換卡的方式，需要以計(jì)算機(jī)作為主要運(yùn)算部件，在很多工業(yè)場合不方便使用[1-3]。數(shù)字信號處理器(DSP)芯片作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，是專門為實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法而設(shè)計(jì)的，嵌入式網(wǎng)絡(luò)可以有效地用于不方便使用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用場合，而嵌入式網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的應(yīng)用前景十分廣闊，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)[4-5]。

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的使用要求,本文使用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片與Xilinx的FPGA芯片XC3S400以及ASIX公司的AX88180芯片完成了基于網(wǎng)卡通信控制系統(tǒng)。

1 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以TI公司的TMS320F2812 DSP為中央處理器，該芯片是用于測控領(lǐng)域的16位定點(diǎn)DSP,處理速度達(dá)到150 MHz，其主要特點(diǎn)是采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有快速中斷響應(yīng)和處理能力，具有4 M線性程序地址與4 M線性數(shù)據(jù)地址，16位的數(shù)據(jù)總線，以及1 M尋址空間的地址總線；三個(gè)外部芯片選擇信號[6，7]。DSP負(fù)責(zé)通信數(shù)據(jù)信息的處理，接收網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)據(jù)包，將其轉(zhuǎn)換成串行通信數(shù)據(jù)包，并且將接收到的串行通信數(shù)據(jù)返回給網(wǎng)絡(luò)接口。網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片對收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù),與DSP處理器進(jìn)行交互。采用Xilinx公司的Spartan系列的Spartan3-SC3S400芯片作為外部微處理器，該芯片有400 K門，8 M邏輯單元，32×28個(gè)CLB(Configurable Logic Block)內(nèi)部資源?？色@得的LUT門為7168；可以使用的邏輯區(qū)為3584[8]。FPGA完成以太網(wǎng)接口芯片AX88180的控制和UART實(shí)現(xiàn),采用DS90LV019進(jìn)行TTL信號與差分信號轉(zhuǎn)換；DSP與FPGA之間采用總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分三部分:(1)中央處理器TMS320F2812 DSP與FPGA之間的接口部分，這部分負(fù)責(zé)系統(tǒng)的通信轉(zhuǎn)換控制；(2)網(wǎng)絡(luò)控制芯片與FPGA之間的接口，這部分負(fù)責(zé)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與總線數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換；(3)UART接口，這部分負(fù)責(zé)串行通信數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換。

2.1 DSP＋FPGA硬件電路

TMS320F2812作為中央處理器；FPGA作為外部接口XINTF與DSP連接，連接內(nèi)容包括:地址總線Address(18～0)、數(shù)據(jù)總線(15～0)、片選信號(XZCS0AND1)、DSP讀使能(XRD)、DSP寫使能(XWE)、外部保持請求(XHOLD)、外部保持應(yīng)答(XHOLDA)、外部準(zhǔn)備后信號(XREADY)、中斷控制信號XINT。DSP與FPGA連接原理框圖如圖2所示。

DSP處理器與FPGA處理器之間采用XINTF總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，F(xiàn)PGA作為DSP的一個(gè)外部擴(kuò)展區(qū)，DSP處理器需要通過讀、寫、片選三個(gè)控制信號,以及地址總線、數(shù)據(jù)總線以訪問外部SRAM的方式進(jìn)行讀寫控制,控制信號通過DSP的外部I/O進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)方法如下:首先在FPGA內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)基于分布式塊區(qū)域異步IP核的SRAM，該SRAM的數(shù)據(jù)寬度是16位，深度是1 024，具有讀寫控制信號WE，讀時(shí)鐘RCLK和寫時(shí)鐘WCLK。讀時(shí)鐘RCLK由DSP的讀信號XRD賦值，寫時(shí)鐘WCLK由DSP的寫信號XWE賦值，讀寫控制信號WE由DSP的外部擴(kuò)展IO賦值，當(dāng)DSP需要寫外部SRAM時(shí)，IO設(shè)置為低；當(dāng)DSP需要讀外部SRAM時(shí)，IO設(shè)置為高。

2.2 網(wǎng)絡(luò)接口

網(wǎng)絡(luò)控制器選擇ASIX公司的AX88180芯片，AX88180芯片是臺(tái)灣ASIX公司推出的全球第一款Non-PCI接口的千兆以太網(wǎng)絡(luò)控制芯片。

通過FPGA芯片需要配置其控制信號，網(wǎng)絡(luò)接口芯片控制原理圖如圖3所示。

2.3 UART接口

UART接口芯片采用DS90LV019芯片，該芯片電壓是3.3 V，接口是RS422/RS485接口與TTL電平轉(zhuǎn)換，電路原理圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由兩部分組成，DSP軟件和FPGA軟件，其中DSP軟件負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制工作。FPGA負(fù)責(zé)系統(tǒng)底層工作，包括網(wǎng)絡(luò)接口芯片的驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和UART接口的實(shí)現(xiàn)。

3.1 DSP軟件設(shè)計(jì)

DSP作為系統(tǒng)的核心處理器，系統(tǒng)地控制全部工作過程。DSP首先完成上電初始化，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，完成中斷源XINT設(shè)置、GPIO設(shè)置，然后進(jìn)入主循環(huán)程序，進(jìn)行系統(tǒng)需要的運(yùn)算處理。處理過程中，DSP以中斷方式接收FPGA提供的中斷信號，該中斷信號表示網(wǎng)絡(luò)接口芯片AX88180已經(jīng)接收到完整的一幀UDP數(shù)據(jù)包，接收到中斷信號后，DSP設(shè)置FPGA內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)接口SRAM為讀操作，讀取接收到的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷與處理之后，DSP需要通過FPGA內(nèi)部的發(fā)送SRAM向控制端返回?cái)?shù)據(jù)，DSP先把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到FPGA內(nèi)的發(fā)送SRAM，這時(shí)SRAM的操作信號由DSP產(chǎn)生，數(shù)據(jù)寫好以后，DSP需要產(chǎn)生一個(gè)低電壓有效的寬度為1 μs的脈沖信號，作為網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)的起始信號。發(fā)送SRAM與接收SRAM是FPGA內(nèi)部建立的兩個(gè)獨(dú)立的SRAM，這兩個(gè)SRAM可以并行操作。需要注意的是，網(wǎng)絡(luò)接收的數(shù)據(jù)格式與SRAM內(nèi)順序保存的數(shù)據(jù)格式不同，需要DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

DSP處理器接收到數(shù)據(jù)包以后，需要將接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)寫給UART接口SRAM，然后由UART接口完成數(shù)據(jù)發(fā)送。UART接口接收過程與網(wǎng)絡(luò)接口接收過程是一致的。

DSP接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包流程圖如圖5所示。

3.2 FPGA軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)接口芯片

網(wǎng)絡(luò)接口操作是由FPGA使用VHDL語言實(shí)現(xiàn)的，所以接收和發(fā)送兩個(gè)進(jìn)程可以并行操作。圖6是網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送流程圖。

圖5 DSP軟件流程圖

圖6 網(wǎng)絡(luò)接口流程圖

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)時(shí)，AX88180對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，如果UDP數(shù)據(jù)包的目的地址、源地址、端口號都正確，進(jìn)入數(shù)據(jù)接收進(jìn)程，按網(wǎng)絡(luò)格式把數(shù)據(jù)保存到FPGA的接收SRAM內(nèi)，這時(shí)，接收SRAM的控制信號是由FPGA產(chǎn)生的，包括寫信號、寫時(shí)鐘。數(shù)據(jù)接收完成后，產(chǎn)生中斷信號，并且把SRAM的控制信號交給DSP。

數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)程如下:當(dāng)接收到DSP產(chǎn)生的發(fā)送脈沖后，F(xiàn)PGA操作SRAM，并且讀出數(shù)據(jù)，封裝目的IP地址、源IP地址、端口號等固定格式，產(chǎn)生UDP數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

3.2.2 UART接口

UART接口與網(wǎng)絡(luò)接口一樣，都采用DSP的外接總線接口XINTF實(shí)現(xiàn)，通過兩個(gè)SRAM與DSP處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。篇幅原因，這里不再重復(fù)。不同的是，UART這里沒有采用專用的接口芯片，而是由FPGA使用VHDL語言實(shí)現(xiàn)，這樣對于程序控制更簡單。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文提出的硬件設(shè)計(jì)已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通信速度為1 Gb/s、串行通信速度為230.4 kb/s、8位數(shù)據(jù)位環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

本文設(shè)計(jì)了采用TMS320F2812DSP和以太網(wǎng)控制器芯片AX88180實(shí)現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路、以太網(wǎng)接口和UART接口及軟件程序。實(shí)驗(yàn)表明，該電路實(shí)現(xiàn)簡單、工作穩(wěn)定，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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