基于FPGA的以太网和串口数据传输系统设计分析

翟永宁++张翼飞

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.155

摘 要：随着社会不断进步，网络技术飞速发展，“高效、稳定”等是以太网的显著特征，已被广泛应用到多个领域中，通信、传输等，顺利实现了信息数据传输。因此，笔者站在客观角度，客观阐述了以太网、串口数据传输以及FPGA，探讨了基于FPGA的以太网以及串口数据传输系统设计。

关键词：FPGA 以太网 串口 数据 传输系统 设计

中图分类号：TN273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（b）-0155-02

1 以太网数据传输、串口数据传输、FPGA

1.1 以太网数据传输

1973年，Xerox公司提出了以太网技术，和过去相比，其信息数据传输速率明显提高。以太网主要经过了3个发展阶段，站在应用时间角度来说，传统10 Mbps已退出历史舞台，快速以太网、千兆以太网正处于核心位置，但在电力事业发展道路上，终将被万兆或者更高速率的以太网取代。以“百兆以太网”为例，在普通双绞线作用下，最大传输距离可达到100 m，在光纤作用下，其传输距离超过1 000 km，千兆以太网、万兆以太网的传输距离远远超过百兆以太网。

1.2 串口数据传输与FPGA

简单来说，串口便是传输数据中采用的串行式逐位传输形式，被简称为串行接口。串行通信接口是指计算机上九针COM端口，以通信方式为基点，可以将其划分为不同的类型，即同步串行通信、异步串行通信。以“异步串行通信”为例，单一帧中各位间时间间隔是固定的，但相邻帧的时间间隔并不相同，其一个帧并不是由单一元素组成，比如，起始位、校验位，115 200 bps是异步串行通信最大传输波特率。此外，FPGA出现于1984年，随着半导体工艺日渐发展，单位面积硅片中可以生成大批晶体管，FPGA成本大幅度降低，其性能日渐提高。研究者还借助SOPC Builder软件工具，构建出全新的NiosII软核处理器，具有多样化的优势，比如较高的控制性能，FPGA应用领域进一步扩展。

2 基于FPGA的以太网数据传输系统设计

2.1 基于FPGA的以太网数据传输硬件系统设计

在设计基于FPGA的以太网数据硬件系统中，设计者必须准确把握以太网数据传输客观目标要求，综合分析主客观影响因素，科学设计其硬件电路，需要选择适宜的数字平台核心FPGA芯片，科学设计存储电路、以太网电路等。在此基础上，设计者需要利用SOPC Builder工具，搭建合理化的NiosII处理器硬件，优化设计其总体架构的基础上，科学设计以太网组件MAC、控制组件PIO等。在设计硬件电路过程中，设计者需要科学选取核心FPGA，充分发挥其核心作用，要具有较强的控制能力、引脚资源丰富，科学处理信号，动态控制系统，比如，采集控制、以太网信息数据传输控制。在设计存储电路的时候，设计者需要根据以太网数据传输系统设计客观要求，选取适宜的存储器件，即非易失性存储器件、易失性存储器件，前者可以用来存储FPGA配置文件，即使断电后存储的一系列数据也不会丢失，后者可以存储NiosII处理器运行过程中产生的一系列信息数据等，具有多样化的特点，容量特别大，读取的速度也非常快，但断电后存储的信息数据会丢失。此外，设计者需要根据相关规定，优化设计以太网电路，要具有较高安全性、稳定性、较快运行速度等，合理设计以太网物理层以及物理层收发器，确保数据信息传输速度不小于25.6 Mbps，进一步提高网络系统利用效率。图1便是基于FPGA的以太网数据传输硬件结构示意图。

2.2 基于FPGA的以太網数据传输软件系统设计

在设计过程中，设计者还要科学设计以FPGA为基点的以太网数据传输软件系统，充分发挥C/C++语言编程多样化作用，根据NiosII软件开发环境特点、性质等，顺利实现NiosII处理器一系列操作，以Lab Windows/CVI编程环境为切入点，优化设计软件系统显控功能。在设计NiosII程序的时候，设计者必须准确把握该程序具体功能需求，将其处理器当作基于FPGA的以太网数据传输系统的重要服务端，科学采集一系列信息数据，将其传输到对应的客户端——显控软件，构建适宜的网络连接，动态控制一系列信息数据。设计者还要准确把握该程序工作流程，构建程序模块，设计网络连接程序、数据接收发送程序、控制数据发送暂停程序，顺利传输与接收多样化的网络信息数据。此外，设计者还要显控软件功能需求，将显控软件作为对应的客户端，接收、存储一系列信息数据，顺利连接、断开网络等。

3 基于FPGA的串口数据传输系统软件设计

在设计基于FPGA的串口数据传输系统中，设计者要围绕其总体设计要求，制定合理化的设计方案，充分利用FPGA UART IP多样化作用，顺利接收各串口信息数据，优化调整对应的传输波特率，串行各路信息数据，将其传输到DSP中，借助超短基线定位系统作用下的FPGA，实现以DSP为基点的多串口扩展，最大化降低串口数据传输硬件系统难度，使其更加简单化，易于操作，进而最大化降低基于FPGA的串口数据传输系统整体成本，有效提高系统整体运营效益。在此基础上，设计者需要科学设计多个模块，串口数据接收模块、串口输出选择模块、数据并串转换模块等，使其各具特点，展现多样化功能。在设计串口数据接收模块中，设计人员先要设计电平转换电路，确保串口信息数据没接入FPGA引脚前转换电平，根据UART IP特征，以寄存器为切入点，改变海量信息数据传输过程中的波特率。在设计数据并串转换电路中，设计者要添加适宜的通道标志，在并串转换的基础上，进行ModelSim时序仿真。在设计串口输出选择模块的时候，设计者必须全方位、客观地分析输出特定通道串口信息数据所呈现的原理，ModelSim时序仿真设计也被包含其中，进而充分展现FPGA作用下串口数据传输系统多样化功能，优化调整串口波特率。图2便是以FPGA为基点，多种模块作用下，多串口数据传输系统软件结构示意图。

4 结语

总而言之，在设计基于FPGA的以太网和串口数据传输系统中，设计者需要以社会市场为导向，坚持一系列设计原则，严格按照相关规定，准确把握FPGA的特点、性质，多层次优化设计以太网数据传输系统硬件以及软件、串口数据传输系统，多角度合理测试对应的系统数据，在优化完善的基础上，进一步提高基于FPGA的以太网和串口数据传输系统安全性、稳定性。以此降低故障发生率，降低系统运行成本，实现最大化的经济效益。

参考文献

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