基于W3150A的虚拟仪器通用以太网接口设计

　　0 引言

　　虚拟仪器以其性价比高、开放性强等优势迅速占领了市场， 并成为测控仪器新的经济增长点。步入信息化时代最显着的标志就是信息网络在各行业中的渗透和普及， 其中以太网最为典型。以太网作为一种成本低廉、吞吐能力强、适应性好、网络管理能力日益提高的网络， 它可以方便地将数据采集系统纳入局域网甚至Internet。

　　而以太网总线则有可能代替现行的其他总线方式而成为虚拟仪器数据采集系统的首选接口。

　　1 以太网接口的总体设计

　　1.1 以太网接口设计方案选择

　　以太网接口的设计通常有三种方案： 其一是采用FPGA实现物理层、网络层、接入层和传输层等各层的描述， 该方案要自行实现复杂的TCP/IP协议， 难度较大; 二是基于物理层网络控制器和微处理器来实现网络传输， 该方案的优点是灵活性强， 可以针对不同的系统采用不同的协议，可实现协议的精简; 三是采用专用的协议处理芯片实现以太网数据传输， 该方案的硬件电路相对简单， 开发周期短， 并有越来越多的芯片可供选择， 且集成了多种协议， 使用十分方便。

　　本设计采用第三种接口方案， 即采用专用的TCP/IP协议集成芯片， 并由FPGA实现对协议处理芯片的控制， 从而实现以太网数据传输。协议处理芯片选用内部固化了TCP/IP协议的W3150A+并配合物理层芯片RTL8201， 该方法硬件电路相对简单， 并可利用逻辑硬件实现， 从而使系统设计更加简单、紧凑。

　　1.2 以太网控制芯片W3150A+简介

　　W3150A+是WIZnet公司专门为以太网互联和嵌入式系统推出的TCP/IP协议栈芯片。W3150A+能够实现TCP、UDP、IP Ver.4、DHCP、ARP和ICMP等协议， 同时， 网络接口层(包括MAC子层和DLC子层) 也可在该芯片中实现。同时还能提供四路网络连接， 其内部有16KB的双口RAM可作为数据缓冲区， 并可支持全双工模式， 同时带有标准的MII接口， 可方便连接物理层接口芯片。

　　此外， WIZnet公司还提供了Socket API程序包，可以加速应用程序的开发。

　　图1所示是W3150A+芯片的结构框图。由图1可见， W3150A+主要由4部分组成。其中第一部分是MCU接口。W3150A+提供有直接总线接口、间接总线接口和SPI 总线接口。既适合与类似8051单片机的总线连接， 也非常适合与只有IO口而没有总线接口的控制器连接; 第二部分是TCP/IP协议栈。W3150A+已经完全固化了从MAC层、网络层到传输层所需要的协议， 因此， 用户无需了解这些协议的具体实现方法和实现代码; 第三部分是接收和发送缓冲区， 通过以太网进行通信的数据就是通过这些缓冲区来交换的; 第四部分是以太网物理层接口(MII接口)。W3150A+可以与物理层芯片RTL8201无缝连接， 从而实现10/100BaseT以太网物理接口。