基于DSP的网络通信转换系统设计

摘  要： 为了实现以太网数据与RS422串行通信接口之间的转换，设计了采用TMS320F2812 DSP和以太网控制器芯片AX88180实现的嵌入式系统，给出了系统的总体方案、硬件结构、数据交互方法以及软件实现方法。在网络通信速度为1 Gb/s、串行通信速度为230.4 kb/s的实验环境下进行测试，测试结果表明，该方案设计简单，运行稳定可靠，具有一定的使用价值。
关键词： DSP; 控制; 以太网; 串行通信
       以太网接口和RS422串行通信接口作为目前应用最广泛的两种通信接口，被应用到各个领域中。传统的使用计算机的网络接口和串口转换卡的方式，需要以计算机作为主要运算部件，在很多工业场合不方便使用[1-3]。数字信号处理器(DSP)芯片作为一种特殊的嵌入式微处理器系统，是专门为实现各种数字信号处理算法而设计的，嵌入式网络可以有效地用于不方便使用计算机的应用场合，而嵌入式网络开发的应用前景十分广阔，已经成为研究的热点[4-5]。
     根据实际项目的使用要求,本文使用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片与Xilinx的FPGA芯片XC3S400以及ASIX公司的AX88180芯片完成了基于网卡通信控制系统。
1 方案设计
    系统以TI公司的TMS320F2812 DSP为中央处理器，该芯片是用于测控领域的16位定点DSP,处理速度达到150 MHz，其主要特点是采用哈佛总线结构，具有快速中断响应和处理能力，具有4  M线性程序地址与4 M线性数据地址，16位的数据总线，以及1 M寻址空间的地址总线；三个外部芯片选择信号[6，7]。DSP负责通信数据信息的处理，接收网络接口数据包，将其转换成串行通信数据包，并且将接收到的串行通信数据返回给网络接口。网络接口控制芯片对收到的网络数据进行处理，将以太网传输的数据格式转换成数据,与DSP处理器进行交互。采用Xilinx公司的Spartan系列的Spartan3-SC3S400芯片作为外部微处理器，该芯片有400 K门，8 M逻辑单元，32×28个CLB(Configurable Logic Block)内部资源。可获得的LUT门为7 168；可以使用的逻辑区为3 584[8]。FPGA完成以太网接口芯片AX88180的控制和UART实现,采用DS90LV019进行TTL信号与差分信号转换；DSP与FPGA之间采用总线方式进行数据读写操作。系统功能框图如图1所示。
   
   2 硬件电路设计
     系统硬件设计分三部分: (1)中央处理器TMS320F2812 DSP与FPGA之间的接口部分，这部分负责系统的通信转换控制；(2)网络控制芯片与FPGA之间的接口，这部分负责以太网数据与总线数据之间的转换；(3)UART接口，这部分负责串行通信数据串并转换。
2.1 DSP＋FPGA硬件电路
     TMS320F2812作为中央处理器；FPGA作为外部接口XINTF与DSP连接，连接内容包括：地址总线Address(18~0)、数据总线(15~0)、片选信号(XZCS0AND1)、DSP读使能(XRD)、DSP写使能(XWE)、外部保持请求(XHOLD)、外部保持应答(XHOLDA)、外部准备后信号(XREADY)、中断控制信号XINT。DSP与FPGA连接原理框图如图2所示。
   
       DSP处理器与FPGA处理器之间采用XINTF总线接口进行数据交互，FPGA作为DSP的一个外部扩展区，DSP处理器需要通过读、写、片选三个控制信号,以及地址总线、数据总线以访问外部SRAM的方式进行读写控制,控制信号通过DSP的外部I/O进行。实现方法如下:首先在FPGA内部构建一个基于分布式块区域异步IP核的SRAM，该SRAM的数据宽度是16位，深度是1 024，具有读写控制信号WE，读时钟RCLK和写时钟WCLK。读时钟RCLK由DSP的读信号XRD赋值，写时钟WCLK由DSP的写信号XWE赋值，读写控制信号WE由DSP的外部扩展IO赋值，当DSP需要写外部SRAM时，IO设置为低；当DSP需要读外部SRAM时，IO设置为高。
2.2网络接口
     网络控制器选择ASIX公司的AX88180芯片，AX88180芯片是台湾ASIX公司推出的全球第一款Non-PCI接口的千兆以太网络控制芯片。
     通过FPGA芯片需要配置其控制信号，网络接口芯片控制原理图如图3所示。
   
   2.3 UART接口
     UART接口芯片采用DS90LV019芯片，该芯片电压是3.3 V，接口是RS422/RS485接口与TTL电平转换，电路原理图如图4所示。
   
   3 软件设计
     系统软件由两部分组成，DSP软件和FPGA软件，其中DSP软件负责系统的控制工作。FPGA负责系统底层工作，包括网络接口芯片的驱动及数据转换和UART接口的实现。
3.1 DSP软件设计
     DSP作为系统的核心处理器，系统地控制全部工作过程。DSP首先完成上电初始化，并进行参数设置，完成中断源XINT设置、GPIO设置，然后进入主循环程序，进行系统需要的运算处理。处理过程中，DSP以中断方式接收FPGA提供的中断信号，该中断信号表示网络接口芯片AX88180已经接收到完整的一帧UDP数据包，接收到中断信号后，DSP设置FPGA内部的网络接口SRAM为读操作，读取接收到的网络通信数据。进行数据判断与处理之后，DSP需要通过FPGA内部的发送SRAM向控制端返回数据，DSP先把需要发送的数据写到FPGA内的发送SRAM，这时SRAM的操作信号由DSP产生，数据写好以后，DSP需要产生一个低电压有效的宽度为1 ?滋s的脉冲信号，作为网络发送数据的起始信号。发送SRAM与接收SRAM是FPGA内部建立的两个独立的SRAM，这两个SRAM可以并行操作。需要注意的是，网络接收的数据格式与SRAM内顺序保存的数据格式不同，需要DSP进行数据格式转换。
     DSP处理器接收到数据包以后，需要将接收到的网络数据写给UART接口SRAM，然后由UART接口完成数据发送。UART接口接收过程与网络接口接收过程是一致的。
     DSP接收网络数据包流程图如图5所示。
   
   3.2 FPGA软件设计
3.2.1 网络接口芯片
     网络接口操作是由FPGA使用VHDL语言实现的，所以接收和发送两个进程可以并行操作。图6是网络接口发送流程图。
   
       当网络上有数据时，AX88180对数据包进行分析，如果UDP数据包的目的地址、源地址、端口号都正确，进入数据接收进程，按网络格式把数据保存到FPGA的接收SRAM内，这时，接收SRAM的控制信号是由FPGA产生的，包括写信号、写时钟。数据接收完成后，产生中断信号，并且把SRAM的控制信号交给DSP。
     数据发送进程如下：当接收到DSP产生的发送脉冲后，FPGA操作SRAM，并且读出数据，封装目的IP地址、源IP地址、端口号等固定格式，产生UDP数据包，通过网络发送。   
3.2.2 UART接口
     UART接口与网络接口一样，都采用DSP的外接总线接口XINTF实现，通过两个SRAM与DSP处理器进行数据交互。篇幅原因，这里不再重复。不同的是，UART这里没有采用专用的接口芯片，而是由FPGA使用VHDL语言实现，这样对于程序控制更简单。
4 实验结果
     本文提出的硬件设计已经通过实验验证,系统在网络通信速度为1 Gb/s、串行通信速度为230.4 kb/s、8位数据位环境中运行稳定可靠。
     本文设计了采用TMS320F2812DSP和以太网控制器芯片AX88180实现的嵌入式系统，设计了系统的硬件电路、以太网接口和UART接口及软件程序。实验表明，该电路实现简单、工作稳定，具有一定的实用价值。
参考文献
[1] 刘岩俊，闫海霞. HDLC通讯协议中CRC的应用[J].电子测量技术.2010,33(3):21-23.
[2] 周益，周清根，乔鹏，等.基于FPGA+DSP微小型捷联惯导系统的设计[J].电子测量技术，2008,31(2):119-122.
[3] 刘岩俊,闫海霞，何昕.基于FPGA 的HDLC 协议实现[J].电子器件，2009,32(3):707-710.
[4] 徐义忠,孙苓生.基于FPGA 的测量数据存储交换技术[J].电子技术应用，2008,34(1):62-64.
[5] 王海涛,段哲民.多路数据采集与网络远程传输系统实现[J].计算机测量与控制，2008,16(3):421-423.
[6] 姜培培,裘燕青,傅志辉，等.基于DSP和FPGA的多路型光纤光谱仪系统[J].光学精密工程，2006,14(6):944-948.
[7] 万山明.TMS320F281xDSP原理及应用实例[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2008.
[8] Xilinx Inc. Xilinx Spartan-3 Generation FPGA User Guide[S]. 2008.