基于W3150A+的虛擬儀器通用以太網接口設計

　　為了在虛擬儀器設計中使用以太網總線來將數據采集系統(tǒng)納入局域網甚至Internet，從而實現虛擬儀器的網絡化，文中給出了一款基于TCP/IP協(xié)議專用芯片的以太網接口的設計方法。此接口選用Altera公司的FPGA芯片EPM570GT100C4，并配合專用協(xié)議集成芯片W3150A+和物理層芯片RTL8201，可成功實現以太網的數據傳輸。

　　0 引言

　　虛擬儀器以其性價比高、開放性強等優(yōu)勢迅速占領了市場，并成為測控儀器新的經濟增長點。步入信息化時代最顯著的標志就是信息網絡在各行業(yè)中的滲透和普及，其中以太網最為典型。以太網作為一種成本低廉、吞吐能力強、適應性好、網絡管理能力日益提高的網絡，它可以方便地將數據采集系統(tǒng)納入局域網甚至Internet。而以太網總線則有可能代替現行的其他總線方式而成為虛擬儀器數據采集系統(tǒng)的首選接口。

　　1 以太網接口的總體設計

　　1.1 以太網接口設計方案選擇

　　以太網接口的設計通常有三種方案：其一是采用FPGA實現物理層、網絡層、接入層和傳輸層等各層的描述，該方案要自行實現復雜的TCP /IP協(xié)議，難度較大;二是基于物理層網絡控制器和微處理器來實現網絡傳輸，該方案的優(yōu)點是靈活性強，可以針對不同的系統(tǒng)采用不同的協(xié)議，可實現協(xié)議的精簡：三是采用專用的協(xié)議處理芯片實現以太網數據傳輸，該方案的硬件電路相對簡單，開發(fā)周期短，并有越來越多的芯片可供選擇，且集成了多種協(xié)議，使用十分方便。

　　本設計采用第三種接口方案，即采用專用的TCP/IP協(xié)議集成芯片，并由FPGA實現對協(xié)議處理芯片的控制，從而實現以太網數據傳輸。協(xié)議處理芯片選用內部固化了TCP/IP協(xié)議的W3150A+并配合物理層芯片RTL8201，該方法硬件電路相對簡單，并可利用邏輯硬件實現，從而使系統(tǒng)設計更加簡單、緊湊。

　　1.2 以太網控制芯片W3150A+簡介

　　W3150A+是WIZnet公司專門為以太網互聯和嵌入式系統(tǒng)推出的TCP/IP協(xié)議棧芯片。W3150A+能夠實現TCP、UDP、IP Ver.4、DHCP、ARP和ICMP等協(xié)議，同時，網絡接口層(包括MAC子層和DLC子層)也可在該芯片中實現。同時還能提供四路網絡連接，其內部有16KB的雙口RAM可

　　作為數據緩沖區(qū)，并可支持全雙工模式，同時帶有標準的MD接口，可方便連接物理層接口芯片。此外，WIZnet公司還提供了Socket API程序包，可以加速應用程序的開發(fā)。

　　圖1所示是W3150A+芯片的結構框圖。由圖1可見，W3150A+主要由4部分組成。其中第一部分是MCU接口。W3150A+提供有直接總線接口、

　　間接總線接口和SPI總線接口。既適合與類似8051單片機的總線連接，也非常適合與只有IO口而沒有總線接口的控制器連接;第二部分是TCP /IP協(xié)議棧。W3150A+已經完全固化了從MAC層、網絡層到傳輸層所需要的協(xié)議，因此，用戶無需了解這些協(xié)議的具體實現方法和實現代碼;第三部分是接收和發(fā)送緩沖區(qū)，通過以太網進行通信的數據就是通過這些緩沖區(qū)來交換的;第四部分是以太網物理層接口(MII接口)。W3150A +可以與物理層芯片RTL8201無縫連接，從而實現10/100BaseT以太網物理接口。

　　W3150A+內部的寄存器分為兩個存儲器和兩類寄存器。兩個存儲器分別用于數據傳輸的輸入和輸出，兩類寄存器分別是通用寄存器和端口寄存器，每類寄存器都含有大量的狀態(tài)字控制寄存器。下面簡要介紹比較重要的狀態(tài)字控制寄存器。

　　Sn_MR：端口n模式寄存器，該寄存器用于設置端口的選項或協(xié)議類型;

　　Sn_CR：端口n命令寄存器，該寄存器用來設置端口的初始化、關閉、建立連接、斷開連接、數據傳輸以及命令接受等;

　　Sn_IR：端口n中斷寄存器，該寄存器用于顯示建立和中止連接、接收數據、發(fā)送完成以及時間溢出等信息;

　　Sn_PORT：端口n的端口號寄存器，該寄存器可在TCP或UDP模式下設定對應的端口號;

　　S_TX_FSR：端口n發(fā)送存儲器剩余空間寄存器，該寄存器用于指示用戶可以使用的發(fā)送數據空間的大小，在發(fā)送數據前，用戶必須先檢查剩余空間的大小，然后控制發(fā)送數據的字節(jié)數;

　　Sn_TX_RR：端口n發(fā)送存儲器讀指針寄存器，該寄存器用于指示端口在發(fā)送過程完成后發(fā)送存儲器的當前位置。當端口n的命令寄存器收

　　到SEND命令后，可隨即從當前Sn_TX_RR到Sn_TX_WR的數據中發(fā)送出去，發(fā)送完成后，Sn_TX_RR的值自動改變;

　　Sn_TX_WR：端口n傳輸寫指針寄存器，該寄存器可指示向TX存儲器寫入數據時的地址;

　　Sn_RX_RSR：端口n接收數據字節(jié)數寄存器，該寄存器只是端口接收數據緩沖區(qū)接收數據的字節(jié)數，通常可由Sn_TX_RR到Sn_TX_WR的值計

　　算得出，向端口n命令寄存器寫入RECV命令后，寄存器的值將自動改變，并可以接收遠程對端的數據;

　　Sn_RX_RD：端口n接收緩沖區(qū)讀指針寄存器，該寄存器只是端口接收過程完成后的讀地址信息。

　　W3150A+內部有4個獨立的端口(Socket)，它們的狀態(tài)、控制分別映射在第二到第五寄存器區(qū)。主要用于實現端口工作模式的控制(TCP服

　　務器、TCP客戶端、UDP或PPPOE等)、設置該端口的端口號，設置該端口目的主機IP地址和端口號，以及端口接收和發(fā)送數據控制等。