基于以太网的高可靠性综合控制技术研究

孙宇伟 王怀侠 郭燕红 石炎

（北京精密机电控制设备研究所 北京市 100076）

科技高速的发展，对于通信传输中特别是远程数据传输可靠性非常重要。在开发嵌入式和其嵌入式软件，也已经利用以太网来发送和接收信号，并且在不同控制系统平台之间相互通信传输，眼下集成度很高的网络设计模式正在飞速发展，但是也演变成在很多控制系统在各个的设计平台之间相互连接通信，实现集中化控制，嵌入式硬件和嵌入式软件两者并行处理数据的重要性以及优异性已经变成更加明显。基于Xilinx Zynq-7000 芯片，其芯片集成双核处理器PS 和基于可编程逻辑系统PL，并且运用以太网芯片W5300 来实现主控芯片和以太网之间的数据传输，并运用UDP 对上位机与控制板之间的通信传输进行试验，实现了PL 和上位机之间的通信试验。以太网在实现超高速传输数据有非常明显的优势，并且可以直接接入互联网，同时可以提供进行远程大范围的访问需求。电路板设计中首次运用了基于模块化设计的思想，设计者可以非常便捷而且快速的进行设计和利用软件进行仿真试验，从而缩短了印制板开发的难度和周期。

运用以太网芯片进行传输数据目前是局域网和互联网中最盛行的网络传输技术。与RS-485 和CAN 总线这些传统传输协议相对比，以太网在高速和高可靠传输数据中有突出的优势，而且以太网芯片还可以直接与互联网之间相连接通信，能够提供非常大的远程通信控制。

1 电路方案设计

本文核心设计的接口选用Xilinx 公司 ZYNQ 7000 系列XA7Z020 芯片的可编程逻辑系统，这款芯片内部有大量逻辑资源，便于配置接口；用于以太网接口的芯片采用WIZnet 公司设计的硬件协议栈芯片W5300。硬件设计原理图如图1所示，其工作原理：XA7Z020 芯片上面的可编程逻辑系统（PL）通过自带逻辑程序控制W5300 芯片的数据总线和地址总线、芯片读写和数据位选择信号，用VIVADO 平台通过配置文件来实现对W5300 的初始化配置、数据读写和主控单元通信。主控单元通过UDP 调试软件来设置与以太网芯片W5300 的接口模块所对应的IP，通过数据的发送和数据的接收来命令实现主控单元与主控芯片模块中PL 通信。

以太网W5300 芯片具备了10 兆以及百兆的以太网控制器，MAC 和TCP/IP 协议栈，因此XA7Z020 只需要编写简单的TCP/IP协议，就可以大幅度降低硬件之间的接口以及网络通信间的工作，同时大大的缩短产品的开发周期和开发难度，并实现高可靠控制，并且具备远程数据交换。

图1：以太网接口硬件结构图

图2：以太网硬件连接图

图3：W5300 地址

图4：上位机地址

图5：数据传输测试

本文针对高可靠性的传输，所有PCB 印制板上面的电阻选用精度为1%国军标级电阻以及体积小而且具有超高可靠性的军标电容；在原理图布线的同时，电阻和电容都紧挨着主控芯片和以太网芯片放置；这样避免了因电阻精度问题和滤波电容因摆放位置不合适而导致传输信号受到影响，导致设计失败的问题。PCB 在布线时，严格按照设计规范要求，对于差分信号来说，按照平行线的方式进行布线，而且控制线的距离，将芯片和布线距离尽可能的走线最短而且避免走弯线原则；对于地线，采用大面积铺铜的方式，并且与信号线隔开，避免了地线对信号的干扰，实现了高可靠性的传输。

XA7Z020 芯片是集成了ARM 公司的双核处理器PS 和可逻辑控制单元PL，这样的架构，既可以交互发送控制指令，从而避免了交互过程中因不同芯片之间产生干扰。本文主要是通过XA7Z020芯片的可逻辑控制单元PL 部分来配置与以太网芯片进行数据传输的BIT16EN 接口，当BIT16EN 接收高电平信号时，这时候主控芯片的数据传输为16 位，将TEST_MODE 的引脚接到地上拉低电平、OP_MODE 引脚与控制芯片的可逻辑编程控制PL 内。在电路可靠性的设计原则上，保证其他电路的接口性能也得干扰小而且传输速率高，因为关系到在所有以太网的数据传输过程中的抗干扰能力；以太网芯片W5300 在其数据传输过程中保障对于差分信号不受到影响，采用平行线的布线方式，同时降低芯片的供电电压3.3V 以及通过内部的线路传输而损坏其他芯片，以太网芯片与RJ45 接口之间设计了长岭迈腾的网络隔离变压器hx1144l，此款芯片的传输频率可达到300 MHz，不仅可以满足高速以太网传输中对频率要求，而且可以防止引入的电平对接口电路的影响。

以太网芯片W5300 在其芯片的引脚输出输入端放置了绿色的识别LED 灯，当主控芯片XA7Z020 和W5300 之间的接口通信正常时绿色LED 灯的外引脚有低电平输出；以太网芯片5300 在发送数据的时候，此款芯片在发送端引脚处的LED 灯触发变亮，此时引脚为低电平输出，反之在以太网芯片5300 芯片的接收端放置LED 灯，当灯变亮时，该引脚为高电平输出，说明这时在接收数据信号；实时显示主控芯片与W5300 之间数据传输。W5300 与主控芯片PL 连接原理如图2所示。

2 软件实施设计

现已完成基于SOPC 技术的ZYNQ XA7Z020 芯片的高速以太网通信研制，本文对于以太网传输使用的调试助手为UDP 调试助手软件，可以实现对主控芯片XA7Z020 控制的W5300 以太网相互通信之间测试。此款调试助手软件可以实时显示出当时数据传输的情况，便于通信之间随时掌握状态的依据。图3和图4中所示，运用软件将以太网芯片W5300 的IP 地址设置为：192.168.0.20，上位机的物理IP 地址设置为 192.168.0.30，运用主控芯片XA7Z020 的专用编程系统VIVADO 进行相互链接，当链接成功后，软件显示链接成功；然后运用调试小助手UDP 点击上面的发送或者读取数据给W5300 芯片发送信号，然后通过以太网W5300 周围放置的绿色LED 指示灯的点亮或者熄灭来观察判断以太网是连接状态以及两者之间数据传输情况，从而进一步查看上位机与以太网控制板的通信动状态。

调试助手UDP 按照发送数据的模式向以太网芯片W5300 通过接口向主控芯片可编程逻辑系统下发,同时并配置了发送数据量和所需要选择的延时情况，将图5内的数发送给编程逻辑系统，调试助手点读取数据,可编程逻辑系统第一时间判断接收到的数据包是否为图5内的数,主控芯片的可编程逻辑系统通过程序来设置以太网芯片，并且将打印出的数据不断通过以太网芯片的发送通道传到给UDP 内。在调试助手软件上面通过查看接收到的数据包，与可编程逻辑系统程序内设置的数据是否相同。通过调试助手UDP 对基于可编程逻辑系统控制以太网芯片W5300 的接口数据双向通信试验，通过试验验证表明本文设计高可靠性以太网综合控制技术的能够有效的实现主控芯片和以太网芯片以及上位机传输通信。

3 结论

本文设计基于Xilinx Zynq-7000 芯片，其芯片集成双核处理器PS 和基于可编程逻辑系统PL，并且运用以太网芯片W5300 来实现主控芯片和以太网之间的数据传输，并运用UDP 对上位机与控制板之间的通信传输进行试验，实现了PL 和上位机之间的通信试验。以太网在实现超高速传输数据有非常明显的优势，并且可以直接接入互联网，同时可以提供进行远程大范围的访问需求。电路板设计中首次运用了基于模块化设计的思想，设计者可以非常便捷而且快速的进行设计和利用软件进行仿真试验，从而缩短了印制板开发的难度和周期。