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基于千兆网的FPGA多通道数据采集系统设计
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2021-01-20
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FPGA丰富的逻辑资源、充沛的I/O引脚以及较低的功耗,被广泛应用于嵌入式系统和高速数据通信领域。现如今,各大FPGA生产厂商为方便用户的设计和使用,提供了较多的、可利用的IP核资源,极大地减少了产品的开发周期和开发难度,从而使用户得以更专注地构思各种各样创意且实用的功能,而不是把大量时间浪费在产品的调试和验证中。 千兆以太网技术在工程上的应用是当前的研究热点之一。相比于其他RS-232或RS-485等串口通信,千兆以太网更加普及和通用,可以直接与Internet上的其他终端相连;相比于百兆网络,千兆以太网传输速度更快、传输距离更远,再结合UDP/IP协议栈,可以更方便地与上位机进行通信。
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基于千兆网的基于千兆网的FPGA多通道数据采集系统设计多通道数据采集系统设计
FPGA丰富的逻辑资源、充沛的I/O引脚以及较低的功耗,被广泛应用于嵌入式系统和高速数据通信领域。现如
今,各大FPGA生产厂商为方便用户的设计和使用,提供了较多的、可利用的IP核资源,极大地减少了产品的开
发周期和开发难度,从而使用户得以更专注地构思各种各样创意且实用的功能,而不是把大量时间浪费在产品
的调试和验证中。 千兆以太网技术在工程上的应用是当前的研究热点之一。相比于其他RS-232或RS-485等
串口通信,千兆以太网更加普及和通用,可以直接与Internet上的其他终端相连;相比于百兆网络,千兆以太网传
输速度更快、传输距离更远,再结合UDP/IP协议栈,可以更方便地与上位机进行通信。
FPGA丰富的逻辑资源、充沛的I/O引脚以及较低的功耗,被广泛应用于嵌入式系统和高速数据通信领域。现如今,各大
FPGA生产厂商为方便用户的设计和使用,提供了较多的、可利用的IP核资源,极大地减少了产品的开发周期和开发难度,从
而使用户得以更专注地构思各种各样创意且实用的功能,而不是把大量时间浪费在产品的调试和验证中。
千兆以太网技术在工程上的应用是当前的研究热点之一。相比于其他RS-232或RS-485等串口通信,千兆以太网更加普及
和通用,可以直接与Internet上的其他终端相连;相比于百兆网络,千兆以太网传输速度更快、传输距离更远,再结合UDP/IP协
议栈,可以更方便地与上位机进行通信。
本文结合FPGA和千兆以太网灵活与快速的优势,设计了一个多通道并支持不同格式的数据采集系统。为了更好地为上位
机软件所支持,搭建了一个简单的UDP/IP数据通道来完成数据到上位机的高速传输。同时,为了克服UDP这类不可靠的、面
向无连接的协议带来的数据错误和缺失问题,使用一块DDR2SDRAM芯片来缓存各通道数据,在应用层制定了与上位机交互
及丢包处理的通信协议,从而保证了采集数据到达上位机的可靠性。
1 系统总体结构系统总体结构
系统的设计目标是为了让不同通道、不同格式的数据都能通过同一个网络通道被快速无误地传递给上位机,由于设备与上
位机运行状态的不同,采集数据速率的变化,甚至网线质量,使传输过程中的错误和丢包情况在所难免,所以需要有适当的机
制和存储器缓存来保证传输的可靠性。
图1所示即为本系统的总体结构,除了使用一块DDR2 SDRAM芯片之外,网络模型中物理层的功能由一块PHY芯片来完
成。目前一般PHY芯片均能兼容10Mbit·s-1、100Mbit·s-1、1 000 Mbit·s-13种速率的以太网传输,并向上层提供多种接口,如
MII、GMII、RGMII和TBI接口等,对于上位机一侧则直接是普通的RJ45网口插槽。物理层接收数据链路层的并行数据,并将
其转换为原始的比特流;同时也将原始比特流转化成并行数据,提交给数据链路层。
2 FPGA模块功能模块功能
FPGA模块通过响应上位机的指令,完成数据采集、打包、传输、丢包重传等工作。所有工作的基础是MAC子层、网络
层、传输层等OSI参考模型各层协议的可靠实现,每一层都按照标准接口向上一层提供特定服务,而把如何实现这些服务的细
节对上一层加以屏蔽。
图2显示了系统FPGA模块的具体结构,以及各个子模块之间的关系。为缩短设计周期,提高设计质量,在模块中分别调
用了Altera公司现有的以太网控制器IP核和DDR2控制器IP核资源。
2.1 DDR2读写控制
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