利用可编程逻辑器件实现多路采集与切换系统的应用方案

作者：王威，张秋云，江虹，余恒松，易志强，朱笛

引言

随着信息网络与分布式采集技术的飞速发展，在智能交通、工业测控等领域，对网络数据传输处理速度、可靠性及实时性的要求越来越高。同时，现场可编程门阵列（FPGA）凭借日益丰富的片内资源、运行速度快和并行处理等特点，使其成为高速采集传输系统设计的一个有效手段。以太网标准TCP/IP协议是Internet互联网络的基础，其不依赖固定的硬件或软件系统，可以集成于不同的网络环境中，具有通信可靠、使用普遍、易于适配接口等优点。但传统的基于CPU软件实现的TCP/IP协议处理方式，占用大量的CPU资源，消耗存储空间，无论在处理速度还是稳定性方面，都无法与基于硬件实现的相比。韩国WIZnet公司推出的以太网控制芯片W5500支持硬件TCP卸载引擎（TCP Offload Engine，TOE），其集成了TCP/IP全硬件协议栈，能够大幅提高应用设备的网络性能，降低CPU占用率，减少FPGA逻辑资源使用，缩短响应时间。

针对上述研究现状和分布式采集场景分析，本文介绍了一种基于FPGA和TOE架构，实现TCP/IP协议数据传输的多路采集与切换系统。该系统涉及并行数据采集、多路通道切换、TCP/IP协议通信等模块，并通过上位机PC（或键盘与LCD）进行远程（或本地）准确控制与实时显示，满足多路通道切换、模拟信号并行采集、可靠性传输等功能的需求。

1 系统总体设计

该系统包含上、下位机设计，组成一个完整的多路采集与切换系统，系统总体设计框图如图1所示。上位机部分中的PC控制与显示子系统，可根据监测需求，远程对下位机进行配置和部署，并实时显示获取的数据。LCD显示与键盘控制子系统，与下位机安装为一体，可独立地对下位机进行通道控制与信号检测，提升该系统的便捷性和实用性。下位机作为该系统的主体部分，主要由基于FPGA芯片的核心调度、数据处理、通道管理、信号调理与采集、网络通信、串口通信、单片机控制及电源与时钟管理七大模块组成。FPGA核心调度模块是下位机的核心部分，完成对下位机各个模块间的协调运行与逻辑控制，实现全局时钟管理、TCP/IP协议与串口通信、命令和数据的组帧与解析、通道切换与配置、信号采集与数据处理等功能。

基本工作原理：系统上电后，首先等待FPGA初始化，完成默认配置，被测外围接口保持关闭，下位机处于TCP服务器模式，等待上位机连接。上位机PC连接成功后，进行通道切换与选择命令配置，并通过以太网将命令数据传至下位机。然后，下位机通过以太网通信模块接收TCP数据，解析数据获取命令后，逐一对各通道管理模块进行配置，切换到被测通道，并对其中8路通道的电压和电流进行信号调理与采集。每次采集的数据和状态信息，再通过数据处理模块组帧后，交付给以太网通信模块以TCP/IP协议发送数据至上位机。最后，上位机对接收数据进行分析和显示，完成对多路通道的远程切换、采集与监测。

若无PC连接，系统可使用键盘进行命令配置，LCD显示部分测试结果，采用串口通信与下位机进行命令和数据的交互，实现本地便捷控制与监测。

2 系统硬件及FPGA设计

多路采集与切换系统的硬件设计主要由电源与时钟模块、FPGA逻辑控制模块、以太网通信模块、通道管理与切换模块、ADC信号采集模块和STM32控制模块组成，硬件设计结构框图如图2所示。

2.1 FPGA逻辑控制模块

FPGA逻辑控制模块采用了基于Xilinx公司Spartan-6系列的XC6SLX150-2FG484C开发的核心板AC6150具有高速、高带宽、高容量等特点。这款核心板尺寸为60 mm×60 mm，搭载FPGA上电配置功能，扩展用户I/O接口168个，并具备丰富的内部逻辑资源。其作为载板直插使用，为工程技术人员提供了一个简便的FPGA使用方案，极大降低了设计复杂度与周期。

FPGA是下位机部分的核心控制单元，逻辑设计采用硬件描述语言（Verilog HDL）和集成开发套件ISE14.7实现。FPGA逻辑控制模块的顶层设计包括时钟管理与系统复位、W5500控制、数据处理、通道切换、AD采集控制以及STM32控制等子模块，顶层模块负责各个子模块的连接和逻辑综合，FPGA顶层设计结构如图2中间虚线框中所示。

2.2 以太网TCP/IP通信模块

以太网TCP/IP通信模块主要采用WIZnet公司的一款多功能全硬件以太网接口芯片W5500，内部集成10/100 M以太网控制器，嵌入TOE技术，支持TCP、UDP、IPv4等协议，无需考虑协议内部各层关系，不涉及操作系统，只需要正确配置就可以实现网络连接，接口电路简单、编程灵活方便。该模块电路如图3所示。

FPGA基于SPI（外部串行接口）协议对W5500内部的寄存器区和内存进行读写访问。寄存器区由通用寄存器区（用于配置网关、子网掩码、源IP和源MAC地址等）和8个Socket_n（0≤n≤7）寄存器区（用于配置Socket端口号、模式、配置命令等）组成。W5500内嵌32 KB缓存（接收内存和发送内存，各占16 KB），用于缓存以太网传输中已接收和待发送的用户数据。

采用FPGA+W5500的方式实现基于TCP/IP协议的硬件通信系统设计，具有状态稳定、体积小、成本低、高速可靠等优势。FPGA通过W5500控制子模块实现W5500的状态机控制和SPI协议通信，实现对W5500芯片的控制和数据交互。W5500的状态机控制包括对W5500控制器的状态初始化、寄存器配置、TCP连接管理、内存数据读写等功能，其主控制状态机状态转移如图4所示。

FPGA逻辑设计中，将W5500配置为TCP服务器模式，等待上位机PC（作为客户端）进行主动连接。建立连接后，PC下发通道切换、采集等命令数据，通过以太网传输至W5500。FPGA检测到W5500接收中断后，从W5500接收缓存中读取数据，然后交给数据处理模块，进行数据解析，并将命令信息下发到相关控制模块。

数据处理模块主要完成对接收（和待发送）的TCP数据进行解析（和组帧）；W5500控制模块的核心在于TCP的连接建立、数据接收和数据发送控制。使用Socket_0作为与上位机通信的端口，TCP通信建立、数据收发流程如图5所示。经回环测试，TCP传输最高速率达40 Mb/s，满足众多嵌入式应用需求。

2.3 通道管理与切换模块

通道管理与切换模块采用通道选通芯片（ADG1408YRUZ）、电平转换芯片（LSF0108DCUR）、控制切换芯片（ADG819BRM）和继电器（G3FD-X03SN）组成，以实现对外围不同接口管脚的选通、驱动和控制。通道选通芯片实现8通道选一的选通功能；控制切换芯片和继电器控制外围输入通道是否接入；FPGA管脚输出电平为3.3 V，难以直接驱动外围器件，通过电平转换芯片将输出转换为5 V，以提高驱动能力。

当数据解析模块收到通道切换命令后，FPGA通过通道切换子模块，实现对外围芯片的控制，完成多路不同通道的管理和切换。

2.4 ADC信号采集模块

ADC信号采集模块由电压采集和信号调理子模块组成。电压采集子模块选用ADI公司的高精度模数转换芯片AD7609BSTZ，它是一款18位、8通道、真差分、同步采样模数数据采集系统（DAS） ，最高吞吐率达200 kS/s。该系统采用2片AD7609芯片分别对8路被测通道的电压和电流进行采集，模拟信号输入范围采用±5 V。在采集前端，连接信号调理子模块，选用电流转电压芯片（MAX4080SASA+）将被测电流信号转换为模拟电压信号，再经过电压信号调理芯片（AD8276ARZ）和适当高精度电阻进行分压，使输入AD芯片的被测模拟信号范围在-5 V~+5 V之间。

FPGA完成对通道的管理切换后，通过AD采集控制子模块，开启对接入被测的8路通道AD采集。采样频率为10 kHz，16路并行采集，采样速度达2.88 Mb/s（16×18 bit×10 kHz/s）。AD采集控制子模块采用串行工作方式，每完成一次采集，将数据交由数据处理子模块进行组帧，再通过W5500将数据以TCP/IP协议传输至上位机PC。

3 系统软硬件综合测试

3.1 FPGA逻辑设计仿真与测试

进行FPGA逻辑设计时，仿真分析是必不可少的环节，利用ISE14.7自带的仿真软件ISim和在线逻辑分析软件ChipScope，有利于验证设计的正确性，提高设计效率。由于篇幅有限，以下针对该系统FPGA设计的重难点模块之一——以太网TCP/IP通信模块的W5500数据发送功能，进行仿真和测试分析。

以太网TCP/IP通信通过控制W5500实现，对W5500控制模块进行数据发送测试仿真如图6所示。在接收到命名标志Cmd_Receive后，将测试数据Test_Data_r［7:0］依次存入B_FIFO中，再以单bit的方式从B_FIFO中读出，结合SPI协议将数据发送至W5500发送缓存；数据全部写入后，给出写入完成标志W5500WrFlag，以此开启W5500进行TCP数据发送。使用ChipScope对实测信号在线“抓取”，得到W5500数据发送测试信号截图如图7所示，实测与仿真结果一致，表明该设计的正确性。

3.2 系统测试与效果

下位机采用标准2U机箱设计，可同时连接8台被测设备，每台设备有13路不同的接口，共需控制8组×13路通道的切换。上位机的命令配置界面如图8所示，通过勾选通道组合，实现多通道选择和切换命令的配置。图8中展示了同时开启对8台被测设备的2通道监测，并施加控制信号1、4的命令配置过程。

使用网络封包分析软件WireShark对系统的TCP/IP传输过程进行测试，下位机为服务器（IP：192.168.1.168，端口号：10000），上位机PC为客户端（IP：192.168.1.1，端口号：8001），TCP/IP通信测试的流量统计结果如图9所示。图中给出“三次握手”建立TCP连接，和命令数据发送接收与ACK回复过程，表明TCP/IP通信正常。

在2号通道接入被测器件，上位机采用图8中的通道切换命令配置，系统测试对应的PC和LCD监测显示结果如图10所示，PC在报表界面可实时显示被测8路通道的电压和电流，LCD以10 Hz的频率刷新显示监测结果。经长期试验和测试结果表明，PC与LCD显示结果与实际一致，测试效果良好，显示画面稳定，操作便捷流畅。

4 结论

本文设计了一种基于FPGA和TCP/IP协议的多路采集与切换系统，其采用FPGA+W5500的方式实现了基于硬件的TCP/IP协议栈，并详细介绍了该系统的TCP/IP通信、通道切换和多路采集部分的设计方法。综合测试结果表明，系统可以实现多路采集与切换控制的功能，稳定可靠、使用便捷，具有一定的实用价值。

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