余恒松，鄧皓文，伍 春

（1.西南科技大學(xué) 國防科技學(xué)院，四川 綿陽 621000；2.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621000）

0 引 言

在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用領(lǐng)域中，為了應(yīng)對環(huán)境復(fù)雜多變的采集應(yīng)用場景和滿足人們對采集精度越來越高的要求，除了采用高精度AD外，采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程可控制和數(shù)據(jù)實(shí)時準(zhǔn)確傳輸?shù)哪芰σ仓陵P(guān)重要[1-3]。以太網(wǎng)是當(dāng)今最通用的局域網(wǎng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，具有通信可靠、傳輸速度快、遠(yuǎn)距離傳輸和適配多種傳輸介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[4］。而TCP/IP協(xié)議具有開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，不依賴固定的硬件或軟件系統(tǒng)，可以將TCP/IP協(xié)議集成于不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中。韓國WIZnet公司推出的W5500是一款集成了TCP/IP協(xié)議棧的全硬件以太網(wǎng)芯片，可以有效解決基于硬件的TCP/IP協(xié)議開發(fā)難度大且周期長的問題[5]。因此，本文設(shè)計了一種基于FPGA+W5500的多路數(shù)據(jù)采集與以太網(wǎng)TCP/IP傳輸系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)16路模擬信號的并行采集，還可以滿足多路采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程可控制和數(shù)據(jù)實(shí)時準(zhǔn)確傳輸?shù)哪芰Α?/p>

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由信號采集部分和TCP/IP傳輸部分組成，其中信號采集部分由信號調(diào)理模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）組成。TCP/IP傳輸部分的主體為W5500，F(xiàn)PGA作為主控，需對采集和傳輸部分進(jìn)行控制。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

具體地，16路模擬信號并行進(jìn)入采集系統(tǒng)的信號調(diào)理模塊，經(jīng)過調(diào)理后的信號分成兩組（每組8路）輸入ADC中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再由FPGA實(shí)現(xiàn)16路并行采集，最后由FPGA控制W5500將采集數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)往PC機(jī)。

2 信號采集部分設(shè)計

信號采集部分由信號調(diào)理模塊和ADC組成。信號調(diào)理模塊包含低通濾波器和兩級放大器，信號采集部分的結(jié)構(gòu)如圖2所示，信號采集部分則由FPGA進(jìn)行控制。

模擬信號的輸入電壓幅值包含多個檔位，頻率范圍為10 Hz～20 kHz。為保證采集精度，需要采取低通濾波器開關(guān)可選和分級放大的方式，且放大器的增益可調(diào)。系統(tǒng)采用的ADC芯片為AD7609，采集精度為18 bit，支持8通道同步采樣。

圖2 信號采集部分的結(jié)構(gòu)

3 TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

W5500支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE協(xié)議，支持10/100M以太網(wǎng)通信。FPGA基于SPI協(xié)議對W5500內(nèi)部的寄存器區(qū)和內(nèi)存進(jìn)行讀寫訪問。寄存器區(qū)由通用寄存器區(qū)和8個Socket_n（0≤n≤7）寄存器區(qū)組成。通用寄存器區(qū)用于配置網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、源IP和源MAC地址等。Socket_n寄存器區(qū)用于配置Socket端口號、模式、配置命令等，且提供了Socket的狀態(tài)和中斷信息。W5500的內(nèi)存大小為32 kB，分為接收內(nèi)存和發(fā)送內(nèi)存，各占16 kB，分別用于緩存網(wǎng)絡(luò)傳輸中已接收和待發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)。

根據(jù)具體的采集應(yīng)用場景，W5500（服務(wù)端）接收上位機(jī)（客戶端）的采集配置命令，并回傳采集數(shù)據(jù)。為簡化設(shè)計，采用狀態(tài)機(jī)控制W5500，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

圖3 主狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移

經(jīng)過復(fù)位、寄存器區(qū)配置、建立TCP連接后，用戶可由上位機(jī)下發(fā)采集配置信息，如低通濾波開關(guān)、通道選擇和放大器增益等。FPGA從W5500接收緩存讀取用戶配置信息，然后進(jìn)行命令解析（將配置信息下發(fā)到信號采集部分），并啟動采集。16路數(shù)字信號并行進(jìn)入FPGA，由異步FIFO轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流寫入W5500的發(fā)送緩沖。待采集結(jié)束后，返回接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，繼續(xù)等待一下組命令。若TCP連接發(fā)生中斷、超時等異常情況，F(xiàn)PGA將重啟W5500。

TCP連接建立、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送，是整個W5500控制狀態(tài)機(jī)的核心。選取Socket_0作為與上位機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的端口。

（a）TCP連接建立的流程如圖4（a）所示。FPGA向Socke_0的配置寄存器Sn_CR[7∶0]寫入“OPEN”和“LISTEN”命令，分別將Socket_0端口初始化和配置為TCP服務(wù)器，通過檢查狀態(tài)寄存器Sn_SR[7∶0]，判斷命令是否生效。配置完成的TCP服務(wù)器將一直監(jiān)聽信道，等待客戶端的連接請求。

（b）TCP數(shù)據(jù)接收的流程如圖4（b）所示。中斷寄存器Sn_IR[7∶0]提供了Socket_0的中斷信息，當(dāng)Sn_IR[2]為“1”時，表示W(wǎng)5500收到數(shù)據(jù)。Sn_RX_RD[15∶0]為接收讀指針寄存器，Sn_RX_WR[15∶0]為接收寫指針寄存器，分別提供了數(shù)據(jù)在接收內(nèi)存中存儲的首地址和末地址，兩地址相減可得接收數(shù)據(jù)的長度。數(shù)據(jù)接收完成后，需將Sn_RX_RD[15∶0]的值更新為之前獲取的末地址值。

（c）TCP數(shù)據(jù)發(fā)送的流程如圖4（c）所示。發(fā)送寫指針寄存器Sn_TX_WR[15∶0]提供了發(fā)送內(nèi)存中的首地址，F(xiàn)PGA需從這個首地址開始將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送內(nèi)存中，并將Sn_TX_WR[15∶0]更新為“首地址+數(shù)據(jù)長度”的值。發(fā)送“SEND”命令后，可輪詢檢查中斷寄存器的Sn_IR[4]，若為“1”，表示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

4 模擬信號采集實(shí)驗(yàn)

4.1 TCP/IP傳輸實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行TCP/IP協(xié)議通信測試時，將采集系統(tǒng)配置為服務(wù)器（IP：192.168.1.168，端口號：10000），上位機(jī)為客戶端（IP地址192.168.1.100，端口號為4326），采集系統(tǒng)與上位機(jī)的TCP/IP通信流量統(tǒng)計的結(jié)果如圖5所示。

圖5給出了TCP建立連接的“三次握手”、數(shù)據(jù)發(fā)送與回復(fù)ACK確認(rèn)的過程，說明TCP/IP通信傳輸正常。

4.2 信號采集實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能，選擇對一組小信號進(jìn)行采集。使用FLUKE 5522A高精度校準(zhǔn)儀產(chǎn)生一組正弦波模擬信號，信號幅度的有效值和頻率為15.91 mV、1 kHz。系統(tǒng)以200 kHz的采樣率進(jìn)行采集，并經(jīng)W5500上傳到上位機(jī)進(jìn)行解析和顯示。

采集該信號時，F(xiàn)PGA需配置放大器的增益為200倍（第一級放大2倍，第二級放大100倍），放大后的峰值電壓為±4.5 V，上位機(jī)顯示采集信號的時域和頻域的波形如圖6所示，所采信號的增益精度滿足±0.1%的需求。

圖4 TCP建立和數(shù)據(jù)接收發(fā)送流程

圖5 TCP流量統(tǒng)計結(jié)果

圖6 采集信號的時域和頻域結(jié)果

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于FPGA的多路采集與TCP/IP傳輸系統(tǒng)，采用FPGA+W5500架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)基于硬件的TCP/IP協(xié)議通信，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的信號采集部分和TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸部分的設(shè)計方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多路模擬信號的采集和可靠傳輸，且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有一定的實(shí)用價值。