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基于W5300和FPGA的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第4期

白佳俊1，孟祥勇2，張德平1，馮起1，袁乃昌1

1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073； 2.齊齊哈爾建華有限公司試驗(yàn)場(chǎng)，黑龍江齊齊哈爾161000

摘要： 為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)傳輸和遠(yuǎn)程控制，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于W5300和FPGA的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)選用W5300搭建網(wǎng)絡(luò)模塊，采用TCP協(xié)議與遠(yuǎn)程上位機(jī)通信，控制以AD7357為核心的A/D模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的反復(fù)測(cè)試，最終可實(shí)現(xiàn)兩路A/D以1.5 MS/s采樣率對(duì)50 Hz~750 kHz信號(hào)的準(zhǔn)確采樣并向遠(yuǎn)程上位機(jī)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞： FPGA AD7357 數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)傳輸 W5300

中圖分類號(hào)： TM935.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)04-0019-03

Design of data acquisition system based on W5300 and FPGA

Bai Jiajun1，Meng Xiangyong2，Zhang Deping1，F(xiàn)eng Qi1，Yuan Naichang1

1.School of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology，Changsha 410073，China； 2.Proving Ground of Jian Hua Company，Qiqihaer 161000，China

Abstract： In order to achieve real-time transmission of data acquisition and remote control, this paper designed and implemented the W5300 and FPGA-based real-time data acquisition system. The system chose W5300 to build a network module and communicated with the remote host computer using TCP protocol to control A/D module which based on AD7357 to acqure data.Both channels of AD7357 can accurately sample signal of 50 Hz~500 kHz at 1.5 MS/s rate and transmit the data to the remote host computer real-timely.

Key words : W5300；FPGA；AD7357；data acquisition；real-time transport

數(shù)據(jù)采集是信號(hào)處理的前提，大量采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸十分重要。以太網(wǎng)由于傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。采用微控制單元和硬件協(xié)議控制芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸在硬件構(gòu)架上比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)且成本較低[1]。

本文基于硬件以太網(wǎng)協(xié)議芯片W5300和FPGA，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套可以與遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的高速采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。
1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由電源模塊、A/D模塊、控制模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊組成，組成框圖如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
2.1.1 控制模塊
本系統(tǒng)中控制模塊采用Xilinx公司Spartan-3系列XC3S400[2]作為主控芯片，系統(tǒng)時(shí)鐘為50 MHz。該器件豐富的I/O管腳可以完全滿足系統(tǒng)需要且價(jià)格便宜。剩余的管腳用于控制三態(tài)緩沖芯片74HC245，可連接紅外感應(yīng)器等器件作為信號(hào)采集的觸發(fā)信號(hào)。控制模塊主要完成A/D模塊時(shí)序生成、網(wǎng)口模塊初始化和讀寫(xiě)時(shí)序及與上位機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。
2.1.2 A/D模塊
A/D模塊采用ADI公司的AD7357，該芯片為差分輸入、雙通道、4.2 MS/s、14位SAR型ADC[3]。為實(shí)現(xiàn)差分驅(qū)動(dòng)，采用低失真差分ADC驅(qū)動(dòng)器AD8138實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單端轉(zhuǎn)差分放大。該芯片可產(chǎn)生兩個(gè)幅值相等、相位相差180°且以共模電壓為中心的差分信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)ADC的VIN+和VIN-管腳[4]。共模電壓由AD7357內(nèi)部2.048 V基準(zhǔn)電壓通過(guò)分壓提供。首先通過(guò)高精度、低噪聲、低溫漂運(yùn)算放大器AD8628對(duì)REFA/B管腳的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行緩沖，以提高驅(qū)動(dòng)能力。A/D采樣電路如圖2所示。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)模塊
為實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸并與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，選用Winzet公司的硬件以太網(wǎng)協(xié)議芯片W5300搭建網(wǎng)絡(luò)模塊。該芯片內(nèi)部集成10/100 M以太網(wǎng)控制器、MAC和TCP/IP協(xié)議棧，支持8個(gè)獨(dú)立端口同時(shí)連接，通信速率最高可達(dá)到80 Mb/s；與主機(jī)接口支持8/16 bit數(shù)據(jù)總線，支持2種主機(jī)接口模式；內(nèi)部有128 KB TX/RX存儲(chǔ)器，可根據(jù)端口通信數(shù)據(jù)吞吐量動(dòng)態(tài)調(diào)整其分配[5]。
由于AD7357為14位SAR型ADC，故將BIT16EN管腳拉高，采用16 bit數(shù)據(jù)總線模式；地址總線采用直接地址模式；同時(shí)將W5300芯片的管腳TEST-MODE[3:0]接地，選擇內(nèi)部PHY模式；OP-MODE[2:0]接地，選擇全功能自動(dòng)握手模式；RJ-45接頭選用集成網(wǎng)絡(luò)變壓器的13F-60。網(wǎng)絡(luò)模塊電路如圖3所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)
      由于W5300不支持上電復(fù)位，故系統(tǒng)上電后首先通過(guò)延時(shí)產(chǎn)生5 ?滋s低電平復(fù)位信號(hào)。為使W5300鎖相環(huán)邏輯穩(wěn)定，復(fù)位信號(hào)恢復(fù)高電平后繼續(xù)等待20 ms。復(fù)位結(jié)束后系統(tǒng)對(duì)W5300進(jìn)行初始化，包括主機(jī)接口設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)信息設(shè)置和內(nèi)部TX/RX存儲(chǔ)器的分配[5]。
   本系統(tǒng)中利用狀態(tài)機(jī)依次對(duì)MAC地址、子網(wǎng)掩碼、本機(jī)IP地址、本機(jī)端口號(hào)等8個(gè)寄存器進(jìn)行配置，其余寄存器采用默認(rèn)配置。初始化結(jié)束后系統(tǒng)打開(kāi)端口0，并設(shè)置為服務(wù)器模式，選用TCP/IP協(xié)議傳輸，進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到上位機(jī)的握手命令時(shí)建立連接。
   建立連接后，查詢W5300接收寄存器是否有來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)。如果有，則接收數(shù)據(jù)，處理完畢后繼續(xù)查詢；如果沒(méi)有，則系統(tǒng)檢測(cè)是否有外部觸發(fā)信號(hào)或上位機(jī)命令，當(dāng)檢測(cè)到時(shí)，A/D模塊開(kāi)始工作，通過(guò)調(diào)整A/D模塊的工作時(shí)鐘可實(shí)現(xiàn)采樣率0.5 MS/s~4 MS/s的變化。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，在FPGA內(nèi)部建立二級(jí)FIFO緩沖。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，如果收到上位機(jī)結(jié)束命令或者網(wǎng)絡(luò)異常中斷，則W5300關(guān)閉端口，然后重新打開(kāi)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，等待下一次連接。整個(gè)程序的流程圖如圖4所示。

FPGA程序開(kāi)發(fā)采用Verilog語(yǔ)言[6]，在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ISE13.2下進(jìn)行調(diào)試和編譯，通過(guò)JTAG接口將程序下載到FPGA器件中。程序的主要功能是完成對(duì)W5300寄存器的讀寫(xiě)控制、FIFO緩沖的讀寫(xiě)控制、TCP傳輸協(xié)議的實(shí)現(xiàn)以及AD7357采樣時(shí)序的生成。由于實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)量較大，各模塊對(duì)時(shí)序要求非常嚴(yán)格，若時(shí)序不正常，則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤或丟失。以W5300的讀寄存器時(shí)序?yàn)槔仨殱M足的幾個(gè)要求是：芯片使能信號(hào)CS拉低時(shí)間大于65 ns，且再次拉低間隔時(shí)間大于28 ns；讀使能信號(hào)RD拉低時(shí)間大于65 ns；讀使能信號(hào)拉高后數(shù)據(jù)保持時(shí)間tD小于7 ns。為滿足此時(shí)序要求，在該模塊中，系統(tǒng)時(shí)鐘采用50 MHz，一個(gè)時(shí)鐘周期為20 ns，利用狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生讀時(shí)序，一個(gè)讀寄存器周期為120 ns，即6個(gè)時(shí)鐘周期。圖5[5]為讀寄存器時(shí)序要求。

2.3 整體電路實(shí)現(xiàn)
在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要將模擬供電與數(shù)字供電分開(kāi)，且模擬地與數(shù)字地隔離或用磁珠相連，以降低數(shù)字電路和模擬電路之間的干擾；將網(wǎng)口模塊RXIP/RXIN、TXOP/TXON信號(hào)對(duì)按差分信號(hào)布線，長(zhǎng)度一致且盡量靠近[7]；信號(hào)輸入采用同軸接頭，為縮小體積，元器件全部采用縮小體積表面封裝。
3 測(cè)試結(jié)果
程序下載完畢后，首先利用ISE自帶的Chipscope軟件觀察各模塊時(shí)序是否滿足要求。調(diào)試正常后，選用安捷倫公司的波形發(fā)生器輸出50 Hz~1 MHz正弦信號(hào)和方波信號(hào)，峰峰值為1 V。通過(guò)簡(jiǎn)易的上位機(jī)軟件控制網(wǎng)絡(luò)的連接和斷開(kāi)、數(shù)據(jù)采集的開(kāi)始和結(jié)束及采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。隨后利用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，繪制時(shí)域波形和頻譜分析。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)正常工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)兩路A/D以1.5 MS/s采樣率對(duì)50 Hz~750 kHz信號(hào)的準(zhǔn)確采樣和穩(wěn)定傳輸。圖6為750 kHz正弦信號(hào)的局部采樣結(jié)果。

本系統(tǒng)利用W5300搭建網(wǎng)絡(luò)模塊，實(shí)現(xiàn)了A/D采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。若接入以太網(wǎng)，則可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。目前，本系統(tǒng)已應(yīng)用于某型號(hào)測(cè)速雷達(dá)，代替了以往的PCI采集卡，降低了設(shè)備成本，提高了設(shè)備的通用性。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，可加入外掛RAM代替FPGA內(nèi)部FIFO，同時(shí)W5300采用DMA模式傳輸可進(jìn)一步提高傳輸速率，最高可達(dá)80 Mb/s。在此前提下，可選用有效位數(shù)更多、采樣率更高的A/D芯片，以拓寬系統(tǒng)的適用范圍。
參考文獻(xiàn)
[1] 王婕，王健.基于ToE技術(shù)的嵌入式以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2011（6）：34-41.
[2] Xilinx Corporation. Spartan-3 FPGA family：complete data sheet[EB/OL].(2005)[2005].http://www.xilinx.com.
[3] Analog Device，Inc.AD7357 data sheet[EB/OL].（2011）[2011].http://www.analog.com.
[4] Analog Device，Inc.AD8138 data sheet[EB/OL].（2002）[2002].http://www.analog.com.
[5] WIZnet Device，Inc.High-performance internet connectivity solution-W5300[EB/OL].(2008)[2008].http://www.wiznet.co.kr.
[6] 王金明.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Verilog HDL[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.
[7] WIZnet Device，Inc.W5100 Layout Guide[EB/OL].(2009)[2009].http://www.wiznet.co.kr.

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