基于FPGA的嵌入式以太网与Matlab通信系统的设计

摘要：随着FPGA单片可编程容量的日益增大，传统的嵌入式系统设计正在逐渐被片上系统所取代，用于数据通信的以太网片上系统设计也越来越备受关注，另外，通信数据采集的可视化及数据处理的简单化要求也越来越明显，基于这两方面，本文简要介绍了如何利用Xilinx公司的MicroBlaze微处理器软核，以及相应的嵌入式操作系统Xilkemel和Lwip协议功能函数，采用片上系统设计理念，来设计完成基于FPGA的嵌入式以太网与Matlab通信平台的数据传送交互系统。
关键词：片上系统；嵌入式以太网；现场可编程门阵列；Matlab通信平台

O 引言
   近年来，随着信息技术的发展，网络化日加普遍，以太网被广泛应用到各个领域。例如在数据采集领域，一些小型监测设备需要增加网络实现远程数据传输的功能，只要那些设备上增加一个网络接口并实现了TCP／IP协议，就可以方便地接入到现有的网络中，完成远程传输数据的相关功能，所以小型设备的网络技术一直是大家关注的焦点。另一方面，随着单片FPGA的逻辑门数不断增大，人们开始考虑将整个嵌入式系统集成到单片FPGA来实现，于是2001年Altera第一次提出了可编程片上系统(SOPC)概念，并且推出了第一款嵌入式处理器软核Nios以及之后的第二代NiosII以及相应的开发环境，此后Xilinx也推出了MicroBlaze微处理器软核，之后，随着Altera的CycloneIII和StratixIV以及Xilinx的Spartan6和Virtex6等一系列大容量FPGA的推出，Xilinx于2009年正式提出了目标平台设计并且推出了相应的软件ISE 11，至此，嵌入式系统真正开始走向了片上系统，自然，这中间也包括了以太网的嵌入式片上系统。
   Matlab是美国MathWorks公司提供的商业数学仿真软件，其中Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，是一种基于框图的设计环境，可以实现数据的仿真和处理，它提供了一种快速、直接明了的方式，用户可以实时看到系统的仿真结果并且进行相应的数据处理。基于以上事实，本文提出了基于FPGA的嵌入式以太网与Matlab通信系统的设计和研究，采用Xilinx公司的MicroBlaze嵌入式微处理器软核，利用它和相应外设IP核一起完成SOPC的设计并且完成与Simulink数据的传输，最后动态显示以太网传输的数据。

1 系统硬件平台设计
1．1 系统总体硬件的结构
   在系统硬件结构中，考虑到系统复杂度和成本因素，我们选用了Xilinx公司的Spatan3A系列的XC3S700A作为主控制芯片，该芯片为Xilinx的Spartan系列的低端FPGA，采用了65nm技术，在集成度和性价比上都要优于先前Spartan系列的FPGA，系统外挂一块Micron公司的32M×16bits的DDR2芯片MT47H32M16作为外扩SDRAM，以及一片Numonyx公司的16Mb的SPIFlashM25P16作为数据存储器，而10／100Mb以太网我们采用单片PHY芯片加Xilinx的MAC软核来实现。该方案将物理层和MAC分开，将MAC用IP来实现，从而整个系统更加灵活。其中单片PHY芯片有BroadCom公司的BCM5221，Intel公司的LXT971A、LXT972A，SMSC公司的DM9000、LAN83C185等。这里我们采用SMSC公司的LAN83C185来实现物理层。
1．2 系统整体框图
   虽然Matlab中可以采用相关命令创建一个TCP／IP的模块进行数据的接收和显示，但是与Simulink中TC／IP模块相比较为繁锁，因此选择用后者动态实时显示从以太网发送过来的数据，并可进行相应的处理。本设计主要是完成发送正弦函数数据并在Simulink的接收模块中显示正弦函数图形。系统的整体的框图如图l所示：

2 MicroBlaze的系统硬件配置和Simulink接收块的搭建
2．1 MicroBlaze和系统设计
   Xilinx公司的MicroBlaze嵌入式软核是业界优秀的32位软处理器IP核之一，它支持CroConnect总线标准设计集合，具有兼容性和重复利用性，最精简的核只需要400个左右的Slice，MicroBlaze软核内部采用哈佛结构的32位指令和数据总线，便于各个外设和它们之间的信号传输及相应的控制，它有下面的几种互联总线：
    (1)处理器本地总线(PLB)。可以将多个PLB主设备和PLB从设备连接到整个的PLB系统中。
    (2)高速的本地存储器总线(LMB)。用来取RAM块的同步总线。
    (3)XCL总线。是一个高性能的外部内存访问总线。
    (4)FSL总线。用于点对点的单向通信总线。