以太网与同步串行总线接口设计

发布时间：2017-03-21 02:01

  本文关键词：以太网与同步串行总线接口设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在当今互联网普及的时代,随着互联网应用技术的迅速发展,网络用户也快速增长,在使用计算机进行网络互联的同时,各种家电设备、智能仪器仪表及工业生产中的数据采集与控制设备也逐步实现网络化。目前,以太网协议已经非常广泛地应用于各计算机网络中,经过20多年的发展,它已经成为当今Internet中底层链接不可缺少的部分。同时基于以太网的新技术和各种中高端联网设备的不断出现,以太网已经成为最常用的网络标准之一。而在电子设备日趋网络化的背景下,实现设备互联以便共享网络中庞大的信息资源也已成为人们日益关注的焦点。要实现设备之间的联网,就需要在电子设备中嵌入TCP/IP协议栈来对以太网数据进行收发。然而目前大多数的家电设备和工业控制设备等都不具备直接处理TCP/IP协议数据的处理器及网络接口,而是符合串行通信标准如RS232,RS485等的串行接口,影响了它们走向网络化的进程。因此如何将串行接口与网络互联,实现设备的远程控制、数据的远程传输与共享便成了一个亟待解决的问题。针对上述问题,本课题提出以太网与同步串行总线接口设计方案来实现以太网数据与串行数据之间的相互转换。其特点是电子设备端的串行数据通过所设计的接口设备后再接入以太网,而不需要直接接入以太网口进行数据传输,数据的转换在接口转换设备内部进行,接收串行数据后封装成以太网数据包,再经网口传送到到网络上。反之也可以将以太网数据进行转换传送给电子设备。该设计采用SOPC技术来实现,SOPC是片上可编程系统,它是一种特殊的嵌入式系统,具有丰富的IP内核资源、逻辑可编程、设计周期短、设计成本低等优点,且SOPC结合了SOC、PLD和FPGA各自的优点,使得设计的系统更加稳定可靠。SOPC是基于FPGA芯片的,它将处理器、存储器、I/O接口等系统设计需要的模块集成在一起,完成系统的主要逻辑功能。本课题以Altera公司CycloneII系列的EP2C8Q208C8芯片作为核心处理器,配合QuartusII 12.0软件来实现整个SOPC系统的搭建,它可以完成整个系统的硬件设计和软件设计。硬件设计部分通过QuartusII SOPC Builder开发平台调用CPU、SDRAM、JTAG、UART等内核,根据Avalon总线规范自定义一个以太网芯片控制器组件,并完成以太网控制信号与Avalon总线信号对应配置,同时结合以太网控制芯片来实现上位机与开发板之间的网络连接。自行设计同步串行总线模块与配置组件,并生成IP核供SOPC Builder开发平台进行调用,完成整个硬件定制。软件部分通过Nios II IDE eclipse开发平台采用C语言来进行设计,其中包括DM9000A初始化模块、TCP/IP协议数据的封装和解包模块、以太网数据的接收与发送模块,实现以太网数据与串行数据的相互转换。最后进行功能模块的仿真和系统性能测试。首先采用Modelsim软件对设计的同步串行总线模块进行了仿真测试,接着进行该模块的板级测试,然后对以太网通信接口的连通性进行测试,最后将生成的硬件配置系统文件和软件工程可执行文件分别下载至FPGA芯片及配置芯片中进行系统功能测试。测试的结果表明,本课题设计的以太网与同步串行总线接口达到了设计的预期效果,给以太网与电子通信设备的互联研究提供了一定的参考与借鉴。
【关键词】：以太网 同步串行总线 SOPC NiosII DM9000A
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP393.11;TP336
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-14
• 1.1 课题研究背景与意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-12
• 1.3 论文主要研究内容12-13
• 1.4 论文结构与安排13-14
• 第2章 系统方案及技术原理分析14-23
• 2.1 设计方案可行性分析14
• 2.2 以太网协议及帧格式概述14-16
• 2.3 SOPC技术概述16-17
• 2.4 NiosII软核处理器概述17-19
• 2.5 Avalon总线概述19-20
• 2.6 开发环境及开发流程分析20-22
• 2.6.1 硬件开发环境及流程分析20-21
• 2.6.2 软件开发环境及流程分析21-22
• 2.7 本章小结22-23
• 第3章 同步串行总线接口设计23-34
• 3.1 同步串行总线协议定义23-25
• 3.1.1 物理层传输协议分析23-24
• 3.1.2 数据链路层传输协议分析24-25
• 3.2 同步串行总线模块设计25-33
• 3.2.1 波特率发生器模块设计25-26
• 3.2.2 发送控制模块的设计26-29
• 3.2.3 接收控制模块的设计29-32
• 3.2.4 同步串行总线顶层模块设计32-33
• 3.3 本章小结33-34
• 第4章 以太网通信接口设计34-49
• 4.1 硬件电路设计34-42
• 4.1.1 DM9000A芯片概述34-35
• 4.1.2 DM9000A芯片原理分析35-36
• 4.1.3 DM9000A芯片引脚功能分析36-38
• 4.1.4 以太网接口电路分析与设计38-39
• 4.1.5 以太网通信接口硬件总体设计39-42
• 4.2 以太网通信接口软件设计42-48
• 4.2.1 初始化模块设计42-43
• 4.2.2 数据发送模块设计43-44
• 4.2.3 数据接收模块设计44-46
• 4.2.4 以太网封装与解包模块设计46-48
• 4.3 本章小结48-49
• 第5章 系统仿真与测试49-58
• 5.1 同步串行总线模块的仿真49-51
• 5.2 同步串行总线模块的板级测试51-53
• 5.3 以太网通信接口测试53-54
• 5.4 以太网与同步串行总线接口测试54-56
• 5.5 本章小结56-58
• 结论58-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-63
• 攻读学位期间取得学术成果63

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