基于W5300的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對現(xiàn)場采集設(shè)備需要擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)功能以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用硬件協(xié)議棧芯片W5300設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)由FPGA控制硬件協(xié)議棧芯片W5300，給出了系統(tǒng)總體硬件電路和軟件工作流程，并最終完成了對系統(tǒng)的功能驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；W5300；TCP／IP；FPGA；數(shù)據(jù)傳輸

    現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中，越來越多的現(xiàn)場采集設(shè)備需要擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)功能以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)以其成本低、易于集成和傳輸距離較遠(yuǎn)的優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)解決方案是利用主控芯片連接物理層接口，在主控芯片內(nèi)編寫以太網(wǎng)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的，這種方法開發(fā)周期較長，難度較大，且由于以太網(wǎng)協(xié)議程序比較繁瑣，運(yùn)行起來不太穩(wěn)定。而利用硬件協(xié)議棧芯片，只需要通過簡單的配置和外部線路連接就可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸功能，這種方法開發(fā)難度小、集成度高且運(yùn)行穩(wěn)定，已成為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x方案。
    鑒于此，文中設(shè)計(jì)了一個(gè)利用可編程邏輯器件控制W5300以TCP／IP為協(xié)議進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。其中，TCP／IP協(xié)議棧的處理交由硬件協(xié)議棧芯片W5300來完成，F(xiàn)PGA只需控制W5300即可。

1 芯片介紹
    W5300是WIZnet公司的一款單芯片器件，采用0．18μmCMOS工藝，內(nèi)部集成10／100M以太網(wǎng)控制器、MAC層協(xié)議和TCP／IP協(xié)議棧，主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。其主要性能特點(diǎn)如下：
    1)支持硬件TCP／IP協(xié)議棧：TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP，IGMP、PPPoE；
    2)支持8路獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)連接端口SOCKETs同時(shí)工作；
    3)內(nèi)部擁有128 k字節(jié)TX／RX存儲器用于數(shù)據(jù)通信，并可根據(jù)端口數(shù)據(jù)吞吐量靈活分配TX／RX存儲器空間大??；
    4)支持2種主機(jī)接口模式(直接尋址模式和間接尋址模式)；
    5)支持16／8 bit數(shù)據(jù)總線，傳輸速率高達(dá)50 Mbps；
    6)支持第三方物理(PHY)接口。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    在硬件設(shè)計(jì)時(shí)選擇利用FPGA做為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對W5300寄存器的讀寫及功能配置，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    W5300與FPGA的接口信號有數(shù)據(jù)總線、地址總線以及一些控制信號線(如／RESET、／CS、／RD、／WR、／INT)。W5300工作在直接尋址模式下，F(xiàn)PGA通過地址總線可直接訪問W5300內(nèi)部的各個(gè)寄存器或存儲器，直接尋址模式比間接尋址模式具有更高的訪問速度。BIT16EN引腳決定數(shù)據(jù)總線模式：BIT16EN拉高時(shí)為16位寬數(shù)據(jù)總線模式，BIT16EN拉低時(shí)為8位寬數(shù)據(jù)總線模式。本設(shè)計(jì)將BIT16EN懸空，即拉高，使其工作在16位寬數(shù)據(jù)總線模式下。TEST_MODE[3：0]4個(gè)引腳用于配置PHY模式和廠商測試模式，這里將其都接地，設(shè)置成使用內(nèi)部集成的PHY模式。在內(nèi)部PHY運(yùn)行控制模式的多種選擇中，將OP_MODE[2：0]3個(gè)引腳接地，固定地選擇了一種模式；自動握手模式。這樣W5300是通過媒體接口的兩路差分信號(RXIP／RXIN和TXOP／TXON)與網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器連接。這些差分信號引腳都必須接一個(gè)50 Ω(±1％)的電阻和一個(gè)0．1μF的電容，以達(dá)到良好的阻抗匹配效果。匹配電阻和匹配電容應(yīng)該盡可能靠近W5300，以減少傳輸線上的阻抗和容抗。同時(shí)為了有良好的傳輸效果，兩路差分信號的走線長度應(yīng)相等且盡量靠近。
    圖中的網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器采用的是CYL公司PH16系列的PH163539集成芯片，它的作用有3點(diǎn)：1)傳輸數(shù)據(jù)，它把PHY送出來的差分信號用差模耦合線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號，并且通過電磁場的轉(zhuǎn)換耦合到不同電平的連接網(wǎng)線的另外一端；2)隔離網(wǎng)絡(luò)上不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的不同電平，以防止不同電壓通過網(wǎng)線傳輸損壞設(shè)備：3)能夠?yàn)V除空間的電磁干擾，能對設(shè)備起到一定的防雷保護(hù)作用。
    本系統(tǒng)工作在內(nèi)部PHY模式下，只能用25M的無源晶振來提供W5300的工作時(shí)鐘。在工作過程中，W5300需要2種電源：3．3 V和1．8 V，其中1．8 V的內(nèi)核工作電壓由W5300自己產(chǎn)生，不需要外部提供，需要注意的是這種電壓不能提供給W5300以外的其它器件。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是在Quartus II環(huán)境下用硬件描述語言VHDL實(shí)現(xiàn)FPGA對硬件協(xié)議棧芯片W5300的控制，以實(shí)現(xiàn)W5300與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，僅選用W5300的8個(gè)SOCKET中的SOCKET0進(jìn)行通訊。W5300軟件流程圖如圖2所示，首先復(fù)位W5300，再依次對W5300、SOCKET0進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)通信狀態(tài)。

3．1 W5300復(fù)位
    W5300在工作之前需要進(jìn)行上電復(fù)位，且復(fù)位信號／RESET至少要保持2μs的低電平，然后變?yōu)楦唠娖?，等待至?0 ms使得W5300內(nèi)部鎖相環(huán)穩(wěn)定后，再進(jìn)行W5300初始化等操作。
    軟件設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置復(fù)位信號的低電平時(shí)間為6μs，通過對30 MHz的時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到30x6=180時(shí)，便將復(fù)位信號拉至高電平；然后接著計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到30x20x103=600 000時(shí)，便實(shí)現(xiàn)等待20 ms的要求；最后給出W5300復(fù)位完成信號，啟動下一步工作。
3．2 W5300初始化
    初始化W5300就是將相應(yīng)的參數(shù)按照寫時(shí)序要求寫入寄存器即可，初始化分3個(gè)步驟：主機(jī)接口設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)信息設(shè)置和內(nèi)部TX／RX存儲器的分配。
    在設(shè)置主機(jī)接口時(shí)，模式寄存器MR保持默認(rèn)值0xB800，這樣W5300便工作在16位總線寬度的直接訪問模式；中斷屏蔽寄存器IMR寫入0xFF FF，不屏蔽任何中斷。
    在設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)，重復(fù)發(fā)送超時(shí)寄存器RTR與重復(fù)發(fā)送計(jì)數(shù)寄存器RCR采用默認(rèn)值，默認(rèn)值分別為0x07D0和0x0008，即重復(fù)發(fā)送超時(shí)時(shí)間為200 ms，重復(fù)發(fā)送次數(shù)為9次；本機(jī)硬件地址寄存器SHAR、網(wǎng)關(guān)IP地址寄存器GAR、子網(wǎng)掩碼寄存器SUBR和本機(jī)IP地址寄存器SIPR配置參數(shù)如表1所示。

    在分配存儲空間時(shí)，存儲器單元類型寄存器MTYPER采用默認(rèn)值0x00FF，即將前8個(gè)8k字節(jié)存儲單元分配為TX存儲器，后8個(gè)8k字節(jié)存儲單元分配為RX存儲器；通過TX存儲器大小配置寄存器TMSR和RX存儲器大小配置寄存器RMSR將SOCKET0的發(fā)送和接收存儲器大小都配置為32kB。
3．3 SOCKET0建立連接
    完成W5300初始化以后，W5300可以以TCP、UDP、IPRAW或MACRAW的方式打開SOCKET發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。在本設(shè)計(jì)中，W5300工作在TCP服務(wù)器模式下。
    為了實(shí)現(xiàn)TCP通信，需要對SOCKET0進(jìn)行初始化設(shè)置，然后進(jìn)行偵聽設(shè)置，完成TCP服務(wù)器建立，最后等待建立連接。通過SOCKET0模式寄存器S0_MR(P3：P0)和SOCKET0端口寄存器S0_PORTR分別設(shè)置通信協(xié)議和本機(jī)端口號(在TCP服務(wù)器模式，稱之為偵聽端口號)，然后向SOCKET0控制寄存器S0_CR中寫入0x0001執(zhí)行OPEN命令，執(zhí)行完OPEN命令后，如果SOCKET0狀態(tài)寄存器S0_SSR改變?yōu)镾OCK_INIT，則SOCKET0的初始化設(shè)置完成；再向S0_CR中寫入0x0002執(zhí)行偵聽命令，若S0_SSR改變?yōu)镾OCK_LISTEN，則偵聽完成，W5300設(shè)置為TCP服務(wù)器；最后等待S0_SSR改變?yōu)镾OCK_ESTABLISHED，若S0_SSR變?yōu)轭A(yù)期值，則建立了SOCKTEO連接，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
3．4 W5300接收數(shù)據(jù)
    當(dāng)W5300控制器收到接收數(shù)據(jù)控制命令時(shí)，進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。W5300接收數(shù)據(jù)的程序流程如圖3所示。首先要判斷SOCKET0的RX存儲器中是否有接收到的數(shù)據(jù)，即讀取SOCKETO接收數(shù)據(jù)報(bào)長度寄存器S0_RX_RSR的值，并判斷該值是否等于零。如果S0_RX_RSR的值等于零，則繼續(xù)判斷，否則說明SOCKET0的RX存儲器接收到數(shù)據(jù)，則進(jìn)入下一步接收數(shù)據(jù)操作。當(dāng)存儲器中接收到數(shù)據(jù)時(shí)，要進(jìn)一步判讀SOCKET0模式寄存器S0_MR的對齊控制位，若S0_MR(ALIGN)=0，則從SOCKET0的RX FIFO寄存器S0_RX_FIFOR讀取需要接收的數(shù)據(jù)字節(jié)長度(這樣做是由TCP模式數(shù)據(jù)格式來確定的)，否則從S0_RX_RSR中讀取數(shù)據(jù)字節(jié)長度。得到數(shù)據(jù)字節(jié)長度信息后要將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)字長度，作為讀取S0_RX_FIFOR中接收內(nèi)容的循環(huán)控制量。最后，要在向S0_CR寫入0x0040，執(zhí)行REVC命令，告知主機(jī)W5300已經(jīng)完成數(shù)據(jù)的讀取。

3．5 W5300發(fā)送數(shù)據(jù)
    當(dāng)W5300控制器收到發(fā)送數(shù)據(jù)控制命令時(shí)，進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。W5300發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程如圖4所示。首先要將需要發(fā)送數(shù)據(jù)字通過S0_TX _FIFOR復(fù)制到SOCKET0的TX存儲器中，然后再將發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)長度值寫入SOCKET0的寫長度寄存器S0_TX_WRSR，告知W5300需要向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。最后向S0_CR寫入0x0020執(zhí)行SEND命令，W5300收到此命令后對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議處理，并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，SOCKET0的中斷寄存器S0_IR會產(chǎn)生發(fā)送完成(SENDOK)中斷，中斷值為0x0010，軟件清除該中斷后表示完成一次發(fā)送。

4 系統(tǒng)功能驗(yàn)證
    為了測試網(wǎng)絡(luò)的連通性，最直接的方式就是使用ping命令，向目標(biāo)端發(fā)送ICMP回送請求報(bào)文，看目標(biāo)端是否可達(dá)。在主機(jī)端的DOS命令環(huán)境下輸入命令：ping192．168．0．3(主機(jī)IP地址為192．168．0．2)，從圖5可以看出主機(jī)端收到了ICMP回送應(yīng)答，證明目標(biāo)端的IP層以下已經(jīng)連通。

    在測試了連通性后，就可以進(jìn)行通信測試了，可通過TCP&UDP測試工具向W5300發(fā)送網(wǎng)絡(luò)控制指令，并接收W5300回傳的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)。如圖6所示TCP&UDP測試工具與W5300通信結(jié)果，通過上位機(jī)的TCP&UDP測試工具向系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送一組數(shù)據(jù)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口將收到的數(shù)據(jù)載回傳給上位機(jī)，從圖中可以看出，通信測試成功。

5 結(jié)論
    經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強(qiáng)、成本低廉，在無需引入操作系統(tǒng)的條件下，實(shí)現(xiàn)單芯片與Internet的連接，有很高的實(shí)用價(jià)值，可應(yīng)用于現(xiàn)場采集設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。