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1 引言 軟件無線電(SDR)技術近年來發展迅速，在無線通信中的數字接收機領域應用尤為廣泛。FPGA(現場可編程門陣列)以其高集成度、高可靠性和靈活性，在軟件無線電平臺的設計中發揮著重要的核心作用。同時，SDR中的數據接口設計也是關鍵的環節。以太網是目前最通用的數據接口之一，但是中低端FPGA通常不具備以太網接口，這為FPGA在SDR中的應用造成了不便。如果為FPGA配置以太網接口，與外部網絡實現通信，將有利于SDR平臺的功能延伸，方便數據傳輸和與現有系統接口。 DM9000A是Davicom公司生產的一款功能強大的以太網控制器，支持10／100 M以太網速率，可與嵌入式微處理器(MPU)、單片機等以多種方式(如ISA總線等)接口，具有體積小、功耗低、配置靈活、使用簡單等特點。但在傳統應用中，很少有將DM9000A和FPGA直接結合應用的實例，為解決FPGA的以太網接口問題，通常的解決方案是采用單片機或者MPU在FPGA和以太網控制器之間進行數據轉發，但弊端是成本提高和功耗增加。 本文在自行設計開發的OQPSK全數字接收機中，為實現高速解調數據的實時遠程傳輸處理及接收機參數的遠程配置，提出了采用FPGA直接控制DM9000A進行以太網數據收發的設計思路。采用Xilinx系列XC2V1000 FPGA和DM9000A，實現低成本、低功耗和高速率的SDR平臺的網絡傳輸功能，其最高傳輸速率可達100 Mb／s。 2 DM9000A工作原理 2.1 主要特性和總體結構 DM9000A的主要特性如下： 支持8／16位數據總線； 適用于10Base-T和100Base-T； 10／100 M自適應，適應不同的網絡速率要求； 內置16 KB的SRAM，用于收發緩沖，降低對主處理器的速度要求； 與IEEE 802.3u兼容，支持IEEE802.3x全雙工，可同時收發； 具有睡眠模式，可降低功耗； 采用48引腳LQFP封裝，縮小PCB面積。 DM9000A功能結構框圖如圖1所示，DM9000A實現以太網媒體介質訪問層(MAC)和物理層(PHY)的功能，包括MAC數據幀的組裝／拆分與收發、地址識別、CRC編碼／校驗、MLT-3編碼器、接收噪聲抑制、輸出脈沖成形、超時重傳、鏈路完整性測試、信號極性檢測與糾正等。 2.2 工作原理 DM9000A可與微處理器以8 bit或16 bit的總線方式連接，并可根據需要以單工或全雙工等模式運行。在系統上電時，處理器通過總線配置DM9000A內部網絡控制寄存器(NCR)、中斷寄存器(ISR)等，完成DM9000A的初始化。隨后，DM9000A進入數據收發等待狀態。 當處理器要向以太網發送數據幀時，先將數據打包成UDP或IP數據包，并通過8 bit或16 bit總線逐字節發送到DM9000A的數據發送緩存中，然后將數據長度等信息填充到DM9000A的相應寄存器內，隨后發送使能命令。DM9000A將緩存的數據和數據幀信息進行MAC組幀，并發送出去。 當DM9000A接收到外部網絡送來的以太網數據時，首先檢測數據幀的合法性，如果幀頭標志有誤或存在CRC校驗錯誤，則將該幀數據丟棄。否則將數據幀緩存到內部RAM，并通過中斷標志位通知處理器，處理器收到中斷后對DM9000A接收RAM的數據進行處理。 DM9000A自動檢測網絡連接情況，根據網速設置內部的數據收發速率為10 Mb／s或100 Mb／s。同時，DM9000A還能根據RJ45接口連接方式改變數據收發引腳的方向，因此無論外部網線是采用對等還是交叉方式，系統均能正常通信。 3 SDR接收機網絡接口設計 在SDR接收機中，中頻模擬信號經過A／D轉換、數字下變頻、抽取濾波等解調處理后，形成連續的解調數據流，其速率為10 Mb／s。在FPGA內部，解調輸出的數據流和以太網接口部分通過FIFO進行緩沖，當解調數據達到規定的數據幀長度時，FPGA啟動以太網發送程序，將解調數據發送到DM9000A，完成數據發送過程。在接收方向，網絡工作站把控制指令按照一定的幀格式組幀發送到以太網，DM9000A接收到發給自身的以太網幀并通知FPGA啟動以太網接收程序。FPGA將相應的數據從DM9000A的接收FIFO讀至FPGA內部RAM中，利用數據中的控制命令配置接收機參數，完成網絡對SDR接收機的遠程控制。 3.1 與FPGA的數據接口和控制接口 DM9000A的外部總線符合ISA標準。可通過ISA總線直接與FPGA無縫連接。其硬件連接原理如圖2所示。 DM9000A內部集成了PHY功能，因此與以太網接口可以無縫連接。如圖3所示。 3.2 DM9000A的FPGA控制 3.2.1 初始化模塊 DM9000A正常工作需要在上電后對內部寄存器進行初始化。該過程是通過FPGA對DM9000A外部控制總線和數據總線的讀寫操作完成的。具體流程如下： 1) 激活PHY 設置GPR(REG_1F) CEPI00 bit[0]=0； 由于復位后，DM9000A恢復默認的休眠狀態以降低功耗，因此需要首先喚醒PHY。 2) 進行兩次軟復位，步驟如下： 設置NCR(REG_00)bit[2：0]=011；至少保持20μs； 清除NCR(REG_00)bit[2：0]=000； 設置NCR(REQ_00)bit[2：0]=011；至少保持20μs； 清除NCR(REG_00)bit[2：0]=000； 3) 配置NCR寄存器 設置NCR(REG_00)bit[2：1]=00；配置為正常模式。 通過改變該寄存器可以選擇設置內部或者外部PHY、全雙工或者半雙工模式、使能喚醒事件等網絡操作。 4) 清除發送狀態 設置NSR(REG_01)bit[5]=1 bit[3]=l bit[2]=l； 5) 設置IMR寄存器(REG_FF)PAR bit[7]=l；啟用RX／TX FIFO SRAM讀／寫地址指針自動返回功能。 6) 通過IMR寄存器(REG_FF)PRM bit[0]／PTM bit[1]，對RX／TX中斷使能。如果需要在一個數據幀發送完后產生一個中斷，應將PTM bit[1]置為1，如果需要在接收到一幀新數據時產生一個中斷，應將PRM bit[1]置為1； 7) 設置RCR寄存器，使能數據接收功能。 以上步驟完成后．可以通過LED指示燈觀測DM9000A是否已成功完成初始化。 3.2.2 數據發送模塊 DM9000A的發送緩沖區可同時存儲兩幀數據，按照先后順序命名為幀I和幀II，DM9000A上電初始化后，發送緩存區的起始地址是00H，當前數據幀編號為幀I。兩幀數據的狀態控制字分別記錄在DM9000A的狀態寄存器03H和04H中。發送過程如下： 首先，FPGA利用寫操作寄存器MWCMD(REG_F8)向DM9000A的發送緩存區中寫入發送數據幀，寫數據幀時需要先寫入6字節的目的MAC地址，再寫入6字節的源MAC地址，最后寫入發送數據。 隨后，FPGA利用寫操作寄存器MWCMD(REG_F8)將數據幀長度寫入寄存器FCH和FDH，數據長度為16位，將高8位寫入寄存器FCH，低8位寫入寄存器FDH。 最后，FPGA將發送控制寄存器TCR(REG_02)的bit[1]置為高電平，向DM9000A發出發送數據指令。DM9000A自動進行一些處理才將數據發送至以太網，包括：插入報頭和幀起始分隔符；插入來自上層協議的數據，如果數據量小于64字節，則自動補齊64字節；根據目標地址、源地址、長度／類型和數據產生CRC校驗序列，并插入校驗序列位。這些處理都無需FPGA干預。處理完畢后，DM9000A即開始發送幀I。在幀I發送的同時，幀II的數據即可寫入發送緩存區。在幀I發送完后，將幀II的數據長度寫入寄存器FCH和FDH，最后將發送控制寄存器NSR(REG_01)的bit[1]置為高電平，即可開始幀II的發送。依此類推，下面發送的幀將會繼續編號為幀I，幀II，幀I，幀II……按照同樣的方式發送。 如果FPGA將中斷屏蔽寄存器IMR(REG_FF)的bit[1]置為高電平，那么發送完畢后，DM9000A將會產生一個指示發送完成的中斷信號。在發送過程中，FPGA可以查詢寄存器標志位寄存器NSR(REG_01)中的TX1END bit[2]或者TX2END bit[3]得到數據幀的發送狀態。 發送流程如圖4所示。寄存器ISR中的PTS標志位是發送中斷標志位，當一幀數據發送完畢，PTS=0，FPGA檢測到該標志后，應清除標志位以便發送新的數據幀。這里需要注意的是，向FC、FD所寫的幀長度應該是包含目的MAC地址段、源MAC地址段和有效數據的總長度。 3.2.3 接收模塊 DM9000A中的接收緩存區是一個環形結構，初始化后的起始地址為0C00H，每幀數據都有4字節長的首部，然后是有效數據和CRC校驗序列。首部4字節依次是01H、狀態、長度低字節和長度高字節，幀結構如圖5所示。 首部4字節含義如下： 第一個字節用于檢測接收緩存區中是否有數據。如果這個字節是01 H，表明接收到了數據；如果為00H,則說明沒有數據。但是如果第一個字節既不是01H，也不是00H，DM9000A就必須作一次軟復位來從這種異常狀態中恢復。 第二個字節存儲以太網幀狀態，由此可判斷所接收幀是否正確。 第三和第四字節存儲以太網幀長度。后續的字節就是有效數據。 接收過程如下： 查看中斷狀態寄存器。如果接收到新數據，寄存器ISR的PRS位將被置為0； 如果檢測到PRS=0，清除PRS，FPGA開始讀取接收緩存區數據。如果第一個字節是01H，則說明有數據；如果是00H，則說明無數據，需要進行復位； 根據獲取的長度信息，判斷是否讀完一幀。如果讀完，接著讀下一幀，直到遇到首字節是00H的幀，說明接收數據已讀完。FPGA可以重新查看中斷狀態寄存器，等待新的有效數據幀。接收流程如圖6所示。 4 結束語 本文對以太網控制器DM9000A的原理和功能進行介紹，并結合自行開發的SDR接收機平臺。基于FPGA設計實現了100 M以太網接口。其設計思路新穎，硬件連接簡單。整體系統具有功耗低、體積小、運行穩定可靠等優點。SDR平臺的開發融入網絡設計理念，在應用中有廣泛的前景，大大拓寬了SDR的功能。擴展了SDR的應用領域。 |
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