基于FPGA的嵌入式以太網(wǎng)與Matlab通信系統(tǒng)

0 引言

近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化日加普遍，以太網(wǎng)被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。例如在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，一些小型監(jiān)測設(shè)備需要增加網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，只要那些設(shè)備上增加一個網(wǎng)絡(luò)接口并實現(xiàn)了TCP／IP協(xié)議，就可以方便地接入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中，完成遠程傳輸數(shù)據(jù)的相關(guān)功能，所以小型設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一直是大家關(guān)注的焦點。另一方面，隨著單片F(xiàn)PGA的邏輯門數(shù)不斷增大，人們開始考慮將整個嵌入式系統(tǒng)集成到單片F(xiàn)PGA來實現(xiàn)，于是2001年Altera第一次提出了可編程片上系統(tǒng)(SOPC)概念，并且推出了第一款嵌入式處理器軟核Nios以及之后的第二代Nios II以及相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境，此后Xilinx也推出了MicroBlaze微處理器軟核，之后，隨著Altera的CycloneIII和Stratix IV以及Xilinx的Spartan6和Virtex6等一系列大容量FPGA的推出，Xilinx于2009年正式提出了目標平臺設(shè)計并且推出了相應(yīng)的軟件ISE 11，至此，嵌入式系統(tǒng)真正開始走向了片上系統(tǒng)，自然，這中間也包括了以太網(wǎng)的嵌入式片上系統(tǒng)。

Matlab是美國MathWorks公司提供的商業(yè)數(shù)學仿真軟件，其中Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，是一種基于框圖的設(shè)計環(huán)境，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的仿真和處理，它提供了一種快速、直接明了的方式，用戶可以實時看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果并且進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理?；谝陨鲜聦?，本文提出了基于FPGA的嵌入式以太網(wǎng)與Matlab通信系統(tǒng)的設(shè)計和研究，采用Xilinx公司的MicroBlaze嵌入式微處理器軟核，利用它和相應(yīng)外設(shè)IP核一起完成SOPC的設(shè)計并且完成與Simulink數(shù)據(jù)的傳輸，最后動態(tài)顯示以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

1．1 系統(tǒng)總體硬件的結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中，考慮到系統(tǒng)復(fù)雜度和成本因素，我們選用了Xilinx公司的Spatan3A系列的XC3S700A作為主控制芯片，該芯片為Xilinx的Spartan系列的低端FPGA，采用了65nm技術(shù)，在集成度和性價比上都要優(yōu)于先前Spartan系列的FPGA，系統(tǒng)外掛一塊Micron公司的32M×16bits的DDR2芯片MT47H32M16作為外擴SDRAM，以及一片Numonyx公司的16Mb的SPI Flash M25P16作為數(shù)據(jù)存儲器，而10／100Mb以太網(wǎng)我們采用單片PHY芯片加Xilinx的MAC軟核來實現(xiàn)。該方案將物理層和MAC分開，將MAC用IP來實現(xiàn)，從而整個系統(tǒng)更加靈活。其中單片PHY芯片有BroadCom公司的BCM5221，Intel公司的LXT971A、LXT972A，SMSC公司的DM9000、LAN83C185等。這里我們采用SMSC公司的LAN83C185來實現(xiàn)物理層。

1．2 系統(tǒng)整體框圖

雖然Matlab中可以采用相關(guān)命令創(chuàng)建一個TCP／IP的模塊進行數(shù)據(jù)的接收和顯示，但是與Simulink中TC／IP模塊相比較為繁鎖，因此選擇用后者動態(tài)實時顯示從以太網(wǎng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并可進行相應(yīng)的處理。本設(shè)計主要是完成發(fā)送正弦函數(shù)數(shù)據(jù)并在Simulink的接收模塊中顯示正弦函數(shù)圖形。

2 MicroBlaze的系統(tǒng)硬件配置和Simulink接收塊的搭建

2．1 MicroBlaze和系統(tǒng)設(shè)計

Xilinx公司的MicroBlaze嵌入式軟核是業(yè)界優(yōu)秀的32位軟處理器IP核之一，它支持CroConnect總線標準設(shè)計集合，具有兼容性和重復(fù)利用性，最精簡的核只需要400個左右的Slice，MicroBlaze軟核內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)的32位指令和數(shù)據(jù)總線，便于各個外設(shè)和它們之間的信號傳輸及相應(yīng)的控制，它有下面的幾種互聯(lián)總線：

(1)處理器本地總線(PLB)?？梢詫⒍鄠€PLB主設(shè)備和PLB從設(shè)備連接到整個的PLB系統(tǒng)中。

(2)高速的本地存儲器總線(LMB)。用來取RAM塊的同步總線。

(3)XCL總線。是一個高性能的外部內(nèi)存訪問總線。

(4)FSL總線。用于點對點的單向通信總線。

使整個系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，包括系統(tǒng)硬件平臺的搭建，驅(qū)動程序的配置，Xilkernel操作系統(tǒng)內(nèi)的核參數(shù)配置，軟件庫的設(shè)置，文件系統(tǒng)的生成及外設(shè)控制芯片接口配置都可以在EDK(Embedded Development Kit)內(nèi)完成。

整個系統(tǒng)設(shè)計具體操作如下：

(1)在EDK的集成開發(fā)環(huán)境XPS(Xilinx Platform Studio)中，處理器功能單元，系統(tǒng)外圍總線結(jié)構(gòu)，終端外設(shè)以及相應(yīng)的地址映射和默認的驅(qū)動等都可以在BSB(Base System Builder)中完成。在Microblaze系統(tǒng)的基本構(gòu)建中其主要設(shè)置如下：使用Single Processor System系統(tǒng)，Local Memory為16k，系統(tǒng)時鐘頻率為62．5MHz，定時器和以太網(wǎng)中斷必須連接到處理器的中斷控制器上，另外，本設(shè)計還用到的GIOP、Ethernet MAC、DDR、SDRAM控制器等，其間用到的IP驅(qū)動，都是用xilinx提供IP的自帶默認的相應(yīng)驅(qū)動。

(2)最后XPS自動生成微處理器硬件規(guī)范MHS(Microprocessor Hardware Specification)和描述軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的微處理器軟件規(guī)范MSS(Micro-processor Software Specification)文件以及一些相關(guān)的文件。這些文件都可以手動進行修改，從而是使整個系統(tǒng)更加的優(yōu)化。

(3)生成的系統(tǒng)最后生成bit文件，把其文件下載到目標板子上。

2．2 Simulink接收模塊的搭建

Simulink中TCP／IP中的接收模塊，其終端的地址，端口的設(shè)置要與FPGA上的以太網(wǎng)的IP地址、端口的設(shè)置一致，這就為TCP／IP接收模塊指定了要通信的地址即完成了接收模塊TCP／IP的相關(guān)配置，也就完成了FPGA與Matlab中以太網(wǎng)通信的接收模塊的搭建。

通信數(shù)據(jù)通過此模塊可以較直觀地用圖形動態(tài)顯示。