基于W5300的百兆以太网接口设计-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院 电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化论 文 题 目 ： 基于 W5300 的百兆以太网接口设计指 导 教 师 : 2013 年 2 月 28 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述以太网（Ethernet）指的是由 Xerox（施乐）公司创建并由 Xerox（施乐） 、Intel（英特尔）和 DEC 公司联合开发的基带局域网规范，是现有应用中的局域网中采用的最通用的通信协议标准。在 20 世纪 70 年代中期，美国 Xerox 公司提出了以太网这个新概念，通过以太网超过 100 个网站可以不需要预先知道对方站点的信息就可以以非常高速的数据传输速率进行数据通信，通过约 1000m 的同轴电缆，数据传输速率从最初的 3Mb/s 发展到后来的 10Mb/s。为了满足用户日益增长的网络数据流量速度的需求，快速以太网应运而生。W5300 时一款 0.18um CMOS 工艺的单芯片器件，内部集成10/100M 以太网控制器，MAC 和 TCP/IP 协议栈。W5300 使用方便、稳定可靠，广泛应用于高性能低成本的 Internet 嵌入式系统 1。一 以太网的发展现状和前景展望以太网自 1973 年被提出以来经过的长足的发展。在 1993 年 10 月，Grand Junction 公司推出了世界上第一台快速以太网集线器 FastSwith10/100 和网络接口卡FastNIC100，快速以太网技术得以正式应用。随后，Intel、SynOptics、3COM 等公司相继推出自己的快速以太网装置。与此同时 IEEE 802 工程组对 100Mbps 以太网的各种标准进行了研究。1995 年 3 月 IEEE 宣布了 IEEE802.3 快速以太网标准。就这样开始了快速以太网的时代。在经历了上 100M 以太网在上世纪末的飞速的发展后，目前千兆以太网甚至 10G 以太网正在国际组织和领导企业的推动下广泛逐渐应用 27。在商用数据通信领域，以太网发展成为互联网的基础通信技术，导致了一场全球的信息技术的革命。以太网的成功之处在于实现了便捷的网络互联，通过以太网连接的网络和设备可以是不同类型的网络，运行不同网络协议的设备和系统，联网的设备可以方便的实现互联、互通与互操作。以太网在信息的强大性跟控制的快捷性，能够实现快速的串联跟控制，为现代工业制造实现真正意义上的“E 网到底”奠定了良好的基础。以太网已被业内人士认为是未来控制网络的最佳解决方案，也是当前现场总线控制中的主流技术 9。进入 21 世纪以来，以太网技术开始应用于工业自动化控制领域。工业以太网交换机是在商用以太网交换机的基础上研制而成的，适应不同工业控制系统的功能和性能需求，适应各种恶劣环境的高可靠性数据交换设备。2007 年 12 月，IEC 出版了 IEC61158 现场总线第四版国际标准。它标志着工业以太网技术成为与现场总线控制并列的工业自动化控制系统网络通信解决方案。由于以太网技术标准开放性好，应用广泛，使用透明、统一的通讯协议，以太网将成为工业控制领域唯一的统一通信标准。目前工业以太网已逐步应用于电力、交通、冶金、煤炭等工业领域中。作为新兴产业，全球工业以太网行业目前正处于发展的导入期，最近十年的增长速度远超过互联网和现场总线控制的增长速度 8。这次毕业设计是基于 W5300 的百兆以太网接口设计。这是一种链路稳定可靠，数据传输速率稳定的嵌入式以太网接口，可以很容易的应用于工业生产 25。前景广阔。二 W5300 简介W5300 是一款 0.18um CMOS 工艺的单芯片器件内部集成 10/100M 以太网控制器MAC 和 TCP/IP 协议栈。W5300 稳定可靠，广泛应用于高性能、低成本的 Internet 嵌入式领域 10。其特性有:支持固件 TCP/IP 协议；支持 8 个独立端口同时工作；高速网络数据传输；内部 128K 字节存储器用于数据通信；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；支持自动握手功能（全双工，半双工）等 1112。三 FPGA 简介FPGA（Field-Programmable Gate Array）,即现场可编程门阵列。FPGA 的运算速度要比单片机快的多，功能要强大的多 1314。目前以硬件描述语言（VHDL）描述的逻辑电路，可以利用逻辑综合和布线工具软件，快速的烧录至 FPGA 上进行测试 1516。虽说 FPGA 比专用集成电路的速度要慢，无法完成更复杂的设计，并且会消耗更多的电能。但是，FPGA 具有很多优点，比如可以快速成品，而且其内部逻辑可以被设计者反复修改，从而改正程序中的错误，此外，使用 FPGA 进行调试的成本较低 17。四 本课题研究的实际意义由于以太网不但具有很好的扩展性，器速率可以从 10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s 一直扩展到 10Gb/s。而且以太网还是一种非常简单和成熟的解决方案，并为用户熟悉。另外，以太网的互换、互操作性好，具有广泛的软硬件支持，可以透明的与铜线对、电缆和各种光纤等不同的传输媒体接口，避免重新布线的成本。这些特性，使以太网成为办公网络，工业控制网络的很好的解决方案 18。以太网在办公领域中占据了超过 90%的全球市场份额。自动化技术中通信方式一直在发展变化，并逐渐趋向开放和透明的系统解决方案。快速以太网的高速发展为工业自动化领域的通信方式指明了方向 21。因此，越来越多的自动化系统生产商开始开发基于以太网的自动控制系统。现在的挑战在于，如何设计、安装和管理工业以太网，即使在最恶劣和苛刻的条件和环境中也能操作可靠并显示被控对象的行为 19。工业以太网已逐步应用生产实际。作为新兴产业，全球工业以太网行业目前正处于发展的导入期，最近十年的增长速度远超过互联网和现场总线控制的增长速度。工业以太网技术已经成为与现场总线控制并列的工业自动化控制系统网络通信解决方案，并有取而代之的势头 20。这次毕业设计是基于 W5300 的百兆以太网接口设计。这是一种链路稳定可靠，数据传输速率稳定的嵌入式以太网接口，可以很容易的应用于工业生产。前景广阔 2。参考文献：1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 2012，5.2 焦亚涛，任勇峰，李娜娜，王雪松.一种可靠的百兆以太网接口设计与实现J.化工自动化及仪表，2012，1.3蒋峰W5100 在远程温度采集系统中的应用J.化工自动化及仪表，2011，2.4邹依依，郭灿新，欧阳三元等基于以太网硬件协议栈的 DSP 嵌入式系统设计J.自动化仪表，2008，11.5张勇，甄国涌，王丽莉等基于 W5300 的以太网数据传输硬件设计及优化J.化工自动化及仪表，2011，8.6赵子恺，胡大可基于 W3100A 的以太网设备的参数配置J.仪器仪表学，2005.7 杨永.基于高速 DSP 的千兆以太网嵌入式系统研究D太原：中北大学，2007.8 麦崇裔，邓万红.快速以太网及其在电力企业中的应用J.华南理工大学学报（自然科学版），1998，5.9仲崇权.工业现场数据采集与工业以太网若干关键技术D.大连：大连理工大学，2006.10 乔立岩，梁宇，赵浩然.基于W5300的以太网接口设计J.电子测量技术.2012，7.11黄林生，林岩基于TMS320C6713的嵌入式网络接口设计J.电子测量技术.2008，3.12 黄新，颜学龙，雷加.边界扫描测试系统的以太网接口设计J.国外电子测量技术.2010，7.13郑佳，任勇峰，李辉景，杜志.基于 FPGA 的多数据采集卡的研究与设计J.电视技术.2013，1.14 卢毅，赖杰.VHDL 与数字电路设计.北京：科学出版社，2001.15 张凯，林伟.VHDL 实例剖析.北京：国防工业出版社，2004.16胡正华。VHDL 与 FPGA 设计.北京：中国铁道出版社，2003.17姜雪松，刘东升.硬件描述语言 VHDL 教程.西安：西安交通大学出版社，2001.18张轶，胡鹏飞.业以太网在列车网络中的应用设计.铁道运营技术.2011，1.19WIZnet.W5300 Datasheet Ver.2.2R.2008.20High-Performance Internet Connectivity Solution W5300S.WIZnet Inc,2008.21奈杰尔 P.库克美.Digital Electronics with PLD Integration.北京：机械出版社，2003. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一 本课题要研究或解决的问题（1）了解并熟悉快速以太网的基本体系及理论。（2）熟练掌握电路图绘制软件（Protel）和 FPGA 开发软件(ISE)。（3）掌握通信芯片 W5300 的应用。（3）完成基于 W5300 的百兆以太网接口电路的绘制。（4）利用软件绘制 PCB 板图，并完成制作工序表。（5）制作接口电路实物并完成接口电路的调试。（6）对试验结果进行分析。（7）最后撰写毕业论文说明书。二 本课题拟采用的研究手段（途径）首先通过查阅资料，学习和掌握快速以太网的基本知识，了解目前国际及国内的发展现状和发展趋势，重点学习基于 W5300 的以太网接口硬件设计，了解一个完整的以太网接口的基本架构。（1） 硬件设计目前，以太网的传输方案有两种。一种是利用主控芯片连接物理层接口，然后通过主控芯片内编写以太网协议来完成以太网的通信，然而这种方法开发周期比较长，难度较大，而且以太网协议程序比较繁琐，运行起来不太稳定；另一种方法是利用协议芯片（将以太网协议集成于一个芯片内） ，只需要通过简单的配置和外线路连接就可以实现以太网的通信，这种方法开发难度小，集成度高且运行稳定。本设计拟用第二种方法。即采用赛灵思 XC3S400 FPGA 作为主控制芯片，实现对以太网协议芯片 W5300 寄存器读写及功能的配置。这是一种嵌入式的以太网接口，可以实现嵌入式系统在 TCP、UDP 协议下的以太网通信功能。首先，由 FPGA 配置 ROM 对 FPGA 进行配置。然后，由 FPGA 输出对 W5300 的配置信号，写入方式控制字。W5300 启动开始为数据的交换做准备。最后，电脑通过以太网接口通过网线与 W5300 及 FPGA 组成的以太网接口取得连接配对，等待数据的交换。当进行数据交换时，数据由网线经由 W5300 进行配置，传输到 FPGA 中。然后由FPGA 将数据输出到需要输出的接口。反之亦然。硬件框图如下：F P G A 配置 R O MW 5 3 0 0协议控制器F P G AX C 3 S 4 0 0以太网接口数据接口基于 W 5 3 0 0 的百兆以太网硬件设计（2） 学习和掌握硬件描述语言（VHDL） 。并且了解赛灵思 XC3S400 FPGA 的使用。随着电子技术的迅猛发展，电子电路设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻、微功耗的方向发展。而推动它的正是日趋完善的 CPLD、FPGA 和 ASIC 这些可编程逻辑器件（PLD）设计技术。在单块芯片上实现一个数字系统的全部功能，即系统级芯片（System Level IC，简称 SLIC；或 System-on-Chip，简称 SoC）的设计制造与集成电路芯片设计相结合，使得设计行业能更快、更好的设计出性能更优良、功能更完善、更复杂的 PLD 产品。而硬件描述语言 HDL（Hardware Description Language）在数字系统的硬件设计中成为电子设计自动化（EDA）的一种关键技术。作为 IEEE 标准的硬件描述语言 VHDL（VHSIC Hardware Description Language）已在设计中得到了广泛的应用，且影响日益深远。VHDL 的特点包括：1）可以分层次设计。2）每个设计单元，即有定义好的接口（以便连接其它元件时使用） ，又有明确的行为规范（用来仿真） 。3）用算法或者实际硬件结构来定义一个元件操作的行为规范。例如，一个元件最初可以用算法来定义，让高层次设计、检验时使用，之后，可以用硬件结构代替算法定义，以实现实际电路的设计。4）并发性：用硬件描述语言所描述的实际系统，其许多操作是并发执行的。5）逻辑操作和设计的时序行为都能仿真。因此，VHDL 作为一种文件和模块语言，允许明确地指定和仿真数字逻辑系统的行为。由于商用 VHDL 综合工具的发展，VHDL 的使用也随着仿真环境的大大改善而更加广泛。有些 VHDL 程序，可以直接从 VHDL 的行为描述中创建逻辑电路结构。使用 VHDL 可以在一个芯片上设计、仿真和综合任何从简单到复杂的电路系统。FPGA 的开发流程：1）需求定义2）HDL 描述3）功能仿真4）管脚分配与设计约束5）综合6）门级仿真7）布局布线8）时序/时延分析9）配置与下载（3）掌握 Protel 的使用。并用 Protel 绘制基于 W5300 的以太网接口的电路图，并且绘制 PCB 图、统计所需器件。焊接并调试。 毕 业 设 计