廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 張海平 劉 偉 黃海清

廣東鍛壓機(jī)床廠有限公司 沈紅立

1.引言

為解決以太網(wǎng)的通信確定性問(wèn)題，從而消除以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信的主要障礙和為以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信提供技術(shù)可能，需要高速的通信速率、全雙工交換方式。為了滿足這些要求，采用了只有28引腳的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口(SPI)的以太網(wǎng)控制器ENC28J60，符合IEEE 802.3協(xié)議，可以提供相應(yīng)的功能，不僅大大的簡(jiǎn)化了相關(guān)設(shè)計(jì)，而且減小占用空間?？刂破鱁NC28J60與主控制通過(guò)兩個(gè)中斷和自帶的SPI實(shí)現(xiàn)通信，其數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mb/s。其中ENC28J60內(nèi)置集成MAC和10BASE_T PHY，可按業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地接受信息報(bào)數(shù)據(jù)，而且內(nèi)部具有可編程8KB雙端口SRAM緩沖器，可減輕主控單元的內(nèi)存負(fù)荷，提供靈活可靠的數(shù)據(jù)管理機(jī)制，大大地提高系統(tǒng)傳輸性能。

以太網(wǎng)是一種可實(shí)現(xiàn)LAN內(nèi)的嵌入式器件與互聯(lián)網(wǎng)的連接的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。擁有以太網(wǎng)功能的嵌入式系統(tǒng)，主控制單元便可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)數(shù)據(jù)，并遙控控制。因以太網(wǎng)架構(gòu)、性能、互操作性、可擴(kuò)展性及開發(fā)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，已成為嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)通訊技術(shù)。但是實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制往往要求對(duì)某些變量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定時(shí)刷新。在工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用中，PC機(jī)上數(shù)據(jù)的雙向傳輸，可采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA作為控制的硬件。而且從系統(tǒng)集成角度上，對(duì)于帶有SPI接口的ENC28J60芯片選用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)SPI的設(shè)計(jì)也是最優(yōu)的選擇。滿足編程靈活、集成度高、可移植性好、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)成本低的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)中采用型號(hào)為DB4CE15的Cyclone IV的FPGA芯片，該芯片支持32位的RISC軟CPU內(nèi)核即NIOS II處理器，可根據(jù)需要完成SPI串口的設(shè)計(jì)。

圖1 通信原理

圖2 硬件電路

圖3 FPGA設(shè)計(jì)SPI串口主模式結(jié)構(gòu)圖

圖4 NIOS II硬件開發(fā)

圖5 NIOS IDE設(shè)計(jì)

圖6 TCP/IP測(cè)試結(jié)果

在以太網(wǎng)通信的原理的基礎(chǔ)上，對(duì)其中ENC28J60外圍電路和基于FPGA的SPI串口進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括控制命令和數(shù)據(jù)傳輸，著重闡述了傳輸接口SPI的設(shè)計(jì)方案。

2.系統(tǒng)通信原理

將FPGA連接到速率為10Mbps的以太網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括主控制器FPGA、以太網(wǎng)控制器ENC28J60、信息收發(fā)系統(tǒng)PC機(jī)、以太網(wǎng)變壓器、以及復(fù)位自動(dòng)檢測(cè)LED。

工作流程如下：

FPGA通過(guò)RESET復(fù)位控制ENC28J60以太網(wǎng)控制器，準(zhǔn)備開始數(shù)據(jù)傳輸。

按照上一節(jié)點(diǎn)傳達(dá)命令，PC機(jī)的服務(wù)器通過(guò)RJ45發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)變壓器，由以太網(wǎng)控制器ENC28J60緩沖器接受。

節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)由ENC28J60分析處理，經(jīng)ENC-28J60和主控制FPGA的通信通道SPI接口，由FPGA接受數(shù)據(jù)，并對(duì)通過(guò)SPI接受的數(shù)據(jù)命令進(jìn)行解析。

節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)由FPGA內(nèi)部寄存器保存并由SPI接口發(fā)送給ENC28J60控制器，在經(jīng)過(guò)ENC28J60內(nèi)部的PHY（物理層介質(zhì)接入層）編碼譯碼傳出數(shù)據(jù)。

最終PC機(jī)的客戶端接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，完成一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸存儲(chǔ)過(guò)程。

從上述的工作流程中可以看出，通信系統(tǒng)的關(guān)鍵在于ENC28J60以太網(wǎng)控制器與主控制器的通信通過(guò)兩個(gè)中斷引腳和SPI實(shí)現(xiàn)，只需4條連線即可與主控制單元連接，兩個(gè)專用的引腳用于連接LED，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)指示。ENC28J60工作電壓為3.3V，但易于集成于5V系統(tǒng)中，其CS、SCK、SI和RESET引腳都可以承受5V電壓，CS(片選)、SI(SPI數(shù)據(jù)輸入端口)和SCK(時(shí)鐘)最大耐壓為5V，CS的內(nèi)部上拉能力較弱。FPGA(EB4CE15)的I/O口與ENC28J60以太網(wǎng)控制器的端口都是3.3v，在設(shè)計(jì)中就省去了電平轉(zhuǎn)換部分。

其控制部分的硬件實(shí)現(xiàn)是由四代FPGA開發(fā)板、以太網(wǎng)控制器ENC28J60、網(wǎng)絡(luò)接口RJ45等組成，電路如圖2。

3.SPI總線接口設(shè)計(jì)

FPGA與以太網(wǎng)控制器ENC28J60具有設(shè)計(jì)需要的相同的輸入／輸出端和功能，所以在連接EB4CE15和ENC28J60的時(shí)候，只需取時(shí)鐘頻率為25Mhz的EB4CE15的輸入，輸出端口對(duì)應(yīng)于ENC28J60各個(gè)連接端口的功能即可。

SPI的通信采用主從方式、半雙工方式工作，可由MISO（主入從出），MOSI（主出從入），SCK（時(shí)鐘），CS（片選）四根線完成。當(dāng)控制芯片被選中，CS信號(hào)變成預(yù)定使能信號(hào)時(shí)，芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個(gè)SPI設(shè)備成為可能。在FPGA中設(shè)計(jì)的SPI串口主模式結(jié)構(gòu)圖如圖3，采用SOPC可編程片上系統(tǒng)集成硬核或軟核CPU、鎖相環(huán)PLL、存儲(chǔ)器、I/O接口等，可以靈活高效地解決工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行接口協(xié)議SPI的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)成本低。SOPC Builder中提供了現(xiàn)成的SPI核，可以輕松地集成到NIOS II系統(tǒng)中。

NIOS II是一個(gè)用戶可自行配置的通用32位RISC嵌入式處理器，是SOPC（System On a Programmable Chip，片上可編程系統(tǒng)）的核心，具有可定制和可配置性特性。SOPC的開發(fā)包括硬件和軟件兩部分，硬件開發(fā)在Quartus II自帶的SOPC Builder中實(shí)現(xiàn)的，然后集成到NIOS IDE軟件中實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)。

其硬件開發(fā)在Quartus II 11.0中的實(shí)現(xiàn)如圖4，主要包括100Mhz輸出時(shí)鐘的PLL模塊和SOPC設(shè)計(jì)的kenerl部分，其中kernel中包含了NIOS II Processor、SYSTEM ID、SDRAM、EPCS以及JTAG UART。

由于SPI支持速率為10Mbps的網(wǎng)絡(luò)，為了滿足要求，在原有FPGA時(shí)鐘為25MHZ的基礎(chǔ)上倍頻至100MHZ。對(duì)于核心部分kenerl的SOPC設(shè)計(jì)，結(jié)合四代開發(fā)板優(yōu)勢(shì)，將系統(tǒng)通信過(guò)程中的數(shù)據(jù)直接存貯在SDRAM。

軟件集成部分如圖5在NIOS IDE中通過(guò)對(duì)system.h的變動(dòng)，對(duì)sopc.h修改和對(duì)enc28j60.h的結(jié)構(gòu)體創(chuàng)建，它的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)結(jié)構(gòu)體的形式將零散的數(shù)據(jù)整合在一起，大大提高了程序的可讀性、可維護(hù)性和可移植性。

4.TCP/IP協(xié)議設(shè)置及測(cè)試

對(duì)于網(wǎng)口程序，由于微處理器內(nèi)存和運(yùn)算速度存在一定的限制，難以在微控制芯片上實(shí)現(xiàn)所有的TCP/IP協(xié)議，為了滿足嵌入式控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性需求，實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信，必須對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)選擇。其TCP/IP測(cè)試結(jié)果如圖6，其中的參數(shù)設(shè)置如下：

FPGA參數(shù)設(shè)置為：

IP地址：127.0.0.15

TCP端口號(hào)：502

PC機(jī)參數(shù)設(shè)置為：

IP地址：127.0.0.1

端口號(hào)：502

5.結(jié)論

對(duì)于將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)總線是未來(lái)工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)，基于FPGA的嵌入式帶有SPI接口的以太網(wǎng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法具有性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，采用ENC28J60這種具有特色的以太網(wǎng)控制器，系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性和可靠性。而且這種具有可移植性好和頻率高的設(shè)計(jì)應(yīng)用的微細(xì)加工中，可以很好的提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，提高加工的效率。

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