基于W5300以太网接口的伺服控制系统设计

倪晓宇，楚建安，严建海

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安　710048）

基于W5300以太网接口的伺服控制系统设计

倪晓宇，楚建安，严建海

（西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安710048）

在DSP+CPLD伺服控制系统中，采用以太网控制器W5300，实现以太网的接入。介绍了W5300的工作原理，阐述了系统的硬件设计及软件实现。该设计方案开发周期短、硬件连接简单、体积小，能够实现基于TCP协议的数据通信。关键词：伺服控制；DSP；CPLD；W5300；数据通信

随着伺服控制系统对系统的实时控制精度的要求越来越高，传统单纯的采用DSP作为主控器已无法满足要求，现代伺服控制系统多采用DSP+CPLD的两级控制。同时，由于网络控制的优势日益突出，使得网络控制在工业控制中得到广泛应用。其中，以太网接口技术广泛应用在伺服控制领域。随着互联网硬件和软件的迅猛发展，以太网接口成为目前使用最广泛的网络接口，具有接口简单、通信速度高、传输距离远、通信协议完善和工作性能稳定等优点，能够实现远程高速数据通信系统［1］。同时，DSP、CPLD和以太网控制器的价格不断下降，使得将以太网接口控制器直接集成到基于DSP+ CPLD伺服控制系统中成为可能。

本文设计的基于 DSP+CPLD和以太网的伺服控制系统，其中，DSP、CPLD作为核心处理芯片，以太网接口芯片W5300发送和接收以太网数据。

图1　伺服控制系统框图Fig.1　Servo control system block diagram

1　伺服控制系统的硬件设计

该系统以TI公司中的TMS320F2812 DSP、ALTERA公司中MAX系列的EPM7128S CPLD和WIZnet公司以太网控制芯片W5300为核心。图 1为伺服控制系统框图。

在系统中，DSP、CPLD作为主控芯片，接收光电位置反馈信号并通过相关算法产生PWM波，PWM波经功率级放大后驱动伺服电机。系统预留了两种控制模式，上位机可以通过I/O实现对伺服系统的控制，也可以用PC机经过以太网用作远程监控。

1.1TMS320F2812 DSP和EPM7128S CPLD

选用TI公司的TMS320F2812 DSP作为主处理器，该芯片为专用的运动控制芯片，其性能高、功耗低、体积小、可靠性高，可为电机控制系统提供良好的硬件平台。主要特性有：高性能静态CMOS技术；高性能32位CPU；12位模数转换器（ADC），16个通道；外部接口功能强大。DSP的主要作用：1）完成自动分段PI参数选取及角度位置控制算法的实现；2）完成相应的数字信号处理（包括信号的转换、滤波等）；3）对以太网控制芯片进行控制；4）驱动信号的输出。

EPM7128S CPLD芯片具有128个逻辑宏单元，完全满足我们的开发需求；而且，它具有ISP功能，即系统可编程功能，使得在整个硬件系统设计完成后还可通过JTAG接口对硬件进行重配置。CPLD的主要作用：1）实现DSP的外围电路；2）完成位置检测信号及逻辑判别、驱动信号保护、过流保护；3）将位置检测信号送入DSP。

1.2W5300介绍

W5300是一款0.18μm CMOS工艺的器件，内部集成10 /100 M以太网控制器，MAC和TCP/IP协议栈。单芯片即可实现简单快捷的网络连接。W5300使用方便、稳定可靠，广泛应用于高性能、低成本的Internet嵌入式领域。W5300的主要特性［2］：

W5300内含固件 TCP/IP协议栈：TCP，UDP，IPv4，ARP，ICMP，IGMP，PPPoE等网络底层接口协议。内部包含8个可同时独立工作的端口，支持8位/16位的总线连接方式，采用直接连接或间接连接的访问模式，W5300可以很容易与主机接口，大大减小了硬件接口设计和网络编程的工作量，并且可以实现可靠稳定运行的远程数据通讯系统。在16位总线连接方式下，支持存储器到存储器的DMA功能。高速网络数据传输，速率可达到50 Mbps。W5300内部包含16个8K字节的存储单元，这些存储单元依次映射在128K字节的存储器空间，根据端口通信数据吞吐量动态调整内部TX/RX存储器的分配。内嵌10BaseT/100BaseTX物理层并支持第三方物理（PHY）层。支持自动握手及信号线极性检测功能。由于这些特性，使得W5300很容易与互联网连接。

2　系统硬件设计与实现

在硬件设计时选用DSP+CPLD的两级控制作为主控芯片，完成对W5300的控制，其主要硬件连接图如图2所示。

本设计中W5300采用16位数据总线工作模式、直接寻址模式，CPLD可直接访问W5300内部的各个存储器或寄存器。DSP将接収到的信息传递给CPLD，CPLD进行内部逻辑译码、作出判断后产生对W5300的控制信号，并传递到W5300。

W5300与RJ45之间采用网络隔离变压器T1-6T连接，其作用是：1）将W5300与其他设备隔离开，减少了干扰，增强有用信号的传输，增加了传输距离；2）连接TX和RX，使差分信号耦合到不同电平连接的端口；3）保护W5300在与其他端口电压不匹配时不受损害能正常工作［3］。W5300芯片设有外置指示灯输出，连接成功时，LINKED引脚输出低电平。当有数据包发送时，发送端TXLED输出低电平，接收端RXLED输出高电平，以上条件必须全部满足才可以实现以太网的数据传输［4］。

3　系统软件设计

系统软件设计的主要任务是在Quartus II环境下用硬件描述语言VHDL实现对W5300的控制。以实现W5300与上位机的以太网数据传输。在本系统的软件设计中，仅选用W5300的8个SOCKET中的SOCKET0进行通讯［5］。W5300软件流程图如图3所示。

图3　W5300软件流程图Fig.3　W5300 software flow chart

3.1W5300复位

W5300工作之前需要进行上电复位，且复位信号RESET至少要保持2 μs的低电平，然后变为高电平，等待至少10 ms使得W5300内部锁相环稳定后，再进行W5300初始化等操作。

3.2W5300初始化

初始化分3个步骤：

第一步，主机接口设置。1）设置数据总线为16位数据总线直接访问工作模式；2）中断屏蔽寄存器IMR写入 0xFFFF，不屏蔽任何中断。

第二步，设置网络信息。1）设置数据通信的基本网络信息。如硬件地址寄存器SHAR、网关 IP地址寄存器 GAR、子网掩码寄存器SUBR和本机IP地址寄存器SIPR；2）设置重复发送的时间间隔和重复发送的次数。

第三步，分配SOCKET0的内部TX/RX存储空间。1）定义内部TX/RX存储器空间的大小；2）定义SOCKET0的TX/RX存储器空间的大小。

3.3SOCKET0建立连接

在本设计中，W5300工作在TCP服务器模式下。为了实现TCP通信，需要对SOCKET0进行初始化设置，然后设置W5300工作在TCP服务器模式下，最后建立连接。SOCKET0控制寄存器 S0_CR运行OPEN命令，S0_SSR改变为SOCK_INIT，则SOCKET0的初始化设置完成。S0_CR运行LISTEN命令，S0_SSR变为 SOCK_LISTEN，则W5300工作在TCP服务器模式。当S0_SSR改变为SOCK_ESTABLISHED，则SOCKTE0成功建立连接，可以进行数据通信［5］。

3.4数据通信

数据通信包括接收数据和发送数据：1）接收数据时，先判断SOCKET0接收数据报长度寄存器S0_RX_RSR的值是否为零。为零，则重复判断。不为零，表示接收到数据。再通过S0_RX_FIFOR寄存器将数据从RX寄存器中依次读取。最后执行REVC命令，表明W5300已经接收完数据。2）发送数据时，首先判断TX存储器的存储空间是否够用，再将需要发送数据通过S0_TX_FIFOR复制到SOCKET0的TX存储器中，然后再将发送数据字节长度值写入SOCKET0的写长度寄存器S0_TX_WRSR。最后运行SEND命令，完成数据的发送。W5300在TCP协议下通过以太网将数据传递给PC机［6］。

4　结束语

本文介绍了基于DSP+CPLD伺服控制系统的以太网接入。该设计方案开发周期短、硬件连接简单、体积小，能够实现基于TCP协议的数据通信。

［1］LAN/MAN Standards Committee.IEEE Std.802.3-2005/ Corl-2006part 3：Carrier Sense Multiple Access with CollisionDetection（CSMA/CD）AccessMethodand Physical Layer Specifications Corrigendum 1［S］.2006.

［2］WIZnet.W5300 Data sheet Ver1.2.2［R］.2008.

［3］刘欣.基于W5300的以太网嵌入式测试系统设计［J］.计算机测量与控制，2014，22（4）：1050-1052.

［4］游雪峰，文玉梅，李平.以太网分布式数据采集同步和实时传输研究［J］.仪器仪表学报，2006（4）：384-388．

［5］吴昊，严胜刚，薛双喜.基于W5300的以太网数据传输系统的设计与实现［J］.电子设计工程，2012，20（9）：92-94.

［6］乔立岩，梁宇，赵浩然，等.基于W5300的以太网接口设计［J］.电子测量技术，2012，35（7）：129-132.

The servo control system based on W5300 Ethernet interface design

NI Xiao-yu，CHU Jian-an，YAN Jian-hai
（School of Electronics and Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）

In the DSP+CPLD servo control system，using the Ethernet controller W5300，realizes the Ethernet connection. Introducing the working principle of W5300，and elaborated the system hardware design and software implementation.The design development cycle short，simple hardware connection，small volume，can realize the data communication based on TCP protocol.

servo control；DSP；CPLD；W5300；data communication

TN919

A

1674－6236（2016）03-0102-02

2015-03-27稿件编号：201503387

倪晓宇（1989—），男，江西瑞昌人，硕士研究生。研究方向：控制工程。