基于FPGA及以太网技术的数据传输模块设计

2021-04-28吕麒鹏

山西电子技术 2021年2期

吕麒鹏，刘鹏，武杰

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024)

在信息化社会高速发展过程中，数据的高速处理传输及显示已经从与人息息相关的生活等消费应用向工业应用中渗透。随着宽带互联网的发展及电子制造装备智能化、信息化的进程推进中，工业工艺数据内容的处理传输显示已经逐渐占据当前工业信息主流。与传统电子设备利用本身的控制器进行数据处理相比，采用FPGA及以太网技术能够更加有效率的完成数据的再次利用，并将成为工业应用的下一次焦点。本设计采用系统集成的方式进行，硬件包括工控机本身携带的DVI接口模块、自主设计的USB模块、自主设计的FPGA控制模块、自主设计的以太网接口模块和电源复位模块等，其中以性价比最高的CycloneIII系列的EP3C5E144型号FPGA作为控制模块作为核心部分，在软件设计方面使用Verilog HDL语言程序进行编写。

1 系统基本组成

该系统通过工控机及工控机的DVI接口、以太网模块、FPGA模块及存储模块组成，如图1所示。

1) 工控机自带的DVI接口为系统提供稳定的信号源[1]。

2) 控制主单元通过采用FPGA技术控制。

3) 通过以太网传输技术完成数据的稳定性传输和抗干扰传输。

图1 系统基本框图

2 USB接口电路设计

该电路用于将工控机、显示屏控制软件、显示屏进行相互连接并实现参数传递及初始化操作。采用FT245BL这种专用的USB接口芯片进行设计[2]。USB接口模块具有发送功能和接收功能两种。发送部分将接收到的数据帧转化为并行数据之后传输给FPGA，同时FPGA通过外部的EEPROM将接收到的数据存储，同时驱动显示屏进行扫描显示。

3 DVI接收电路

DVI模块电路以TI公司TFP201A作为专用的解码芯片，完成TMDS信号的接收。通过对所接收的信息进行解码并转换为24位的并行数字像素数据，进而通过本次设计的FPGA模块进行相应数据处理。TFP201A提供两组TMDS连接，它兼容DVI1.0规范[3]，通过对TMDS终端匹配电阻、TMDS解码、数据同步及恢复、输出接口、锁相环、TMDS终端匹配电阻等部分，主频最高可达110MHz。

4 FPGA控制单元设计

FPGA控制单元的硬件结构如图2所示，主要包括FPGA芯片、SDRAM芯片、FLASH芯片、EEPROM芯片和JTAG接口等部分。为了实现电子工艺装备中大量工艺数据的实时控制及处理，采用FPGA作为模块的核心芯片设计的模块作为系统的核心处理单元。FPGA控制模块针对发送部分和接收部分通过Verilog HDL架构采取一致的硬件结构。发送部分的FPGA控制模块将DVI接收部分传输过来的并行数据进行内部数字压缩，依据IEEE802.3以太网帧格式的方式编码成符合要求的数据[4]，并从以太网接口传输至接收部分；接收部分的FPGA控制模块将接收到的数据依据规则进行解码，并从以太网接口将相应的数据进行实时显示。

图2 FPGA控制单元硬件结构图

显示屏的设置参数通过EEPROM实现存储，通过系统的上电初始化阶段，FPGA控制显示屏显示实时调用EEPROM中的参数；工控机与通过USB接口实现对EEPROM内的参数进行实时修改。

EEPROM存储单元的设计中采用了ATMEL公司的AT24C02，大小为2kB，其硬件连接如图3所示。其中SDA为芯片的数据信号，SCL为芯片的时钟信号[5]，在芯片引脚内部电路本身都通过漏极开路输出，根据使用原则加一个4.7k上拉电阻。

图3 AT24C02硬件连接图

5 以太网接口电路

本设计完成数据的高速传输，采用以芯片RTL8212设计的应用千兆以太网收发器提供以太网物理层接口。部分数据链路层功能采用FPGA实现，两路独立的千兆以太网通道在RTL8212内部集成，10Base-T、100Base-T、和1000Base-T等标准可以通过五类双绞线在以太网的全部物理层功能上实现，对GM II、RSGMII、RGM II等多种以太网物理层接口支持[6]。

在数据发送时，FPGA发出的并行总线数据由RTL8212进行接收，并将接收的数据转化为串行数据流，将数据流再按照物理层的编码规则编码，再将数据以模拟差分信号的形式发送到以太网；接收数据时则反之。另外，RTL8212可以实现CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)功能，并对网络上数据的传输与否进行检测，如果检测到数据存在传输就等待，如果实时检测到网络存在空闲，在等待一个随机时间后将数据传送出去，有效避免了网络拥塞。

在太网接口电路中，发送部分和接收部分均提供两路RJ45以太网连接器，发送部分可以发送两路视频数据，接收部分的一路以太网接口负责接收发送部分发送的数据，另一路将数据传输到下一个接收部分，可以实现接收卡的级联工作并起到中继转发的作用。

系统时钟选择25MHz无源晶振输入，选择全双1000Base-T模式，提供GM II接口[7]。在电路中加入以太网隔离变压器HST48001，对设备进行电气隔离，将双绞线上的直流信号隔离掉，防止RTL8212芯片的正常工作受到干扰，进一步增强了传输的抗干扰性。同时可以对传输信号进行平衡，提高信号质量，使系统能够满足传输距离的要求。

6 软件系统

系统的软件部分主要针对FPGA控制单元的四个功能模块进行设计，包括以太网控制器模块、数据缓冲模块、DVI控制模块、SDRAM控制器模块进行软件设计，其中以太网控制器模块中，采用八口10/100Mbps以太网收发器集成芯片RTL8208，8个物理层的端口芯片集成在该芯片中，这8个端口可以配置成采用 10/100BASE-TX(双绞线接口)[8]。根据以太网芯片传输时序，通过以太网控制器模块控制以太网芯片，将数据在显示屏上显示出来。