W5300在水下声学信号处理板卡通信系统的应用

杨 侃，余 辉，张宪起

(北方通用电子集团公司 微电子部,江苏 苏州 215163)

W5300在水下声学信号处理板卡通信系统的应用

杨 侃，余 辉，张宪起

(北方通用电子集团公司 微电子部,江苏 苏州 215163)

现代信号处理设计中常涉及到信号处理板卡与上位机之间的数据通信，DSP嵌入式设备接入以太网已经成为目前研究的一个新领域。介绍了一种新型10/100 M以太网控制芯片W5300，在水下声学探测信号处理卡系统中设计了基于W5300的DSP嵌入式数据传输硬件接口，编写了网卡驱动程序。经试验证明，通过以太网可实现远距离、快速的数据传输以及存储，以满足水下声学探测信号处理卡的工作需要。

TMS320C6713；W5300；以太网芯片；TCP

水下声学探测是在海洋开发、海底探险领域中一个重要的技术手段和途径，随着对海洋开发的深入和对水下探测技术要求的不断提高，越来越多的测试系统和控制系统都需要实时、快速且远距离传输水下信息。根据海洋的特殊工作场合和技术要求， 应选择一种适合的通信方式来完成上位机和下位机之间的通信。传统的信号处理板卡是利用RS232、RS485等串口，其数据传输速率非常有限， 面对大数据量实时传输要求显得无能为力。USB总线接口可以达到非常高的传输速率， 但其传输距离有限制，无法运用在水下环境。以太网控制芯片可实现快速、远距离的数据传输和存储，考虑到被测系统的实时性和可靠性的要求，选择以太网作为水下声学处理板卡系统的通信方式。

1 水下声学信号采集板卡系统结构

水下声学信号处理卡的结构框图如图1所示。该信号处理板卡实现多路水下声音信号的采集、数据处理以及以太网传输。其中，CODEC芯片TLV320AIC32负责采集水下声信号，并以EDMA方式高效地传给TMS320C6713(下述简称C6713)，信号数据在C6713中进行必要的数字信号处理；然后，将其传入挂载在C6713外部数据总线上的SDRAM芯片中；最后，采集系统可以通过W5300芯片，使用以太网传输方式与上位机PC进行通信。C6713的程序存储在外部扩展的FLASH中。

1.1 以太网控制器W5300芯片介绍

W5300芯片是韩国WIZnet公司推出的一款0.18 μm CMOS工艺的单芯片器件，内部集成10/100 M以太网控制器、MAC和TCP/IP协议栈。其主要特性为支持硬件TCP/IP协议栈，支持8个独立端口同时工作，高速网络数据传输，速率可达到50 Mbps，支持混合网络TCP/IP协议栈，支持ADSL连接，内部128 K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，支持存储器到存储器的DMA功能，内嵌10BaseT/100BaseTX的以太网物理层，支持自动握手功能，支持第三方物理接口，支持8/16位数据总线，支持2种主机接口模式，外部为25 MHz工作频率，内部锁相环时钟输出150 MHz，网络工作频率为25 MHz或2.5 MHz，3.3 V工作电压，I/O口可承受5 V电压，内部带1.8 V电压调整器。这些特性满足现代高速的以太网传输要求，可以方便与嵌入式处理器实现接口设计，加快开发工作的进度；另外，W5300采用100pin的LQFP封装，此封装芯片引脚间距小，寄生参数较小，适合高频场合应用。

图1 系统整体结构图

1.2 DSP芯片TMS320C6713介绍

由于水下信号处理板卡需要对水下声信号进行采样和各种数字信号处理，处理包括快速傅里叶变换、有限长数字滤波、无限长数字滤波、功率谱计算等；因此，选择一款具有较快运算速度的核心芯片是非常重要的。TMS320C6713(简称C6713)是TI公司的一款32位浮点高速数字处理器DSP，它可在300 MHz的时钟频率下，实现1 800 MIPS/1 350 MFLOPS的定点和浮点运算，极大地满足了高速数据采集与实时控制系统对信号处理速度的要求。C6713自带片内存储器和多种片上外设设备，已经在图像处理、数字信号处理以及自动控制等领域得到了广泛的应用[1]。McASP接口可以外扩音频芯片，EMIF可以外接异步设备和外扩存储器设备，丰富的外设接口完全满足本设计的要求。

2 TMS320C6713与W5300硬件接口电路设计

W5300与主机C6713的接口模式有直接地址模式和间接地址模式2种，数据总线可以分为16位和8位宽度总线2种方式，W5300可以使用内部集成的PHY和外接的PHY，在硬件设计上，可以根据实际应用场合的差别选择一种合适的方案。

根据水下声采集速率的要求以及C6713的外设特性，信号处理板卡接口工作选择在直接模式下，地址总线可直接访问W5300内部的各个寄存器或存储器，直接寻址模式比间接模式具有更高的访问速度。BIT16EN引脚决定数据总线模式：BIT16EN拉高为16位宽数据总线模式，BITI6EN拉低为8位宽数据总线模式。16位数据总线模式下W5300地址线ADDR[9∶1]与C6713的地址线EA[10∶2]相连，ADRR[0]接地或悬空。TEST_MODE[3∶0]的4个引脚用于配置PHY模式和厂商测试模式，TEST_MODE[3∶0]的4个引脚都接地时为内部PHY模式。在内部PHY运行控制模式的多种选择中，将OP_MODE[2∶0]的3个引脚接地，固定地选择了一种模式，即自动握手模式。W5300在工作过程中模拟部分和数字部分使用了2种电压：3.3 V和1.8 V。1.8 V内核工作电压由W5300芯片自己产生，但该电压不能提供给W5300以外的其他器件。本设计中采用了直接地址模式、16位宽度数据总线以及内部集成PHY模式，所有W5300的寄存器配置都是由DSP编程控制完成的[2]。

C6713的EMIF总线可以提供用户扩展外设异步外设。EMIF引脚有数据线、地址线、读写控制信号和片选空间等。C6713上EMIF提供4个外设片选空间CE[3∶0]，设计使用CE2外扩W5300，及将地址0xA0000000～0xAFFFFFFF分配给W5300芯片，EMIF可以实现与W5300的异步连接。通过设置CE2空间的异步读写时序，实现高速异步读写控制，W5300的读写信号线分别接在C6713上的读写信号线，中断引脚连接C6713的INT4。

3 W5300以太网控制芯片接口设计

W5300通过介质接口的2路差分信号(PXIP/PXIN；TXOP/TXON)与网络隔离变压器连接。这些差分信号引脚都必须分别接1个51 Ω(±1%)的电阻和1个0.1 μF的电容，以达到良好的阻抗匹配效果。匹配电阻和电容应尽可能接近W5300，以减少传输线上的阻抗和容抗；同时，为了取得较好的传输效果，2路差分信号的走线长度应等长，且尽量靠近。选择带变压器的RJ45接口，不仅可以可以隔离网络上不同网络设备间的不同电平，防止不同电压通过网线传输损坏设备，而且还能虑除空间的电磁干扰，对设备起到一定的保护作用。其具体接口电路图如图2所示。

图2 W5300与TMS320C6713接口电路

4 TMS320C6713与W5300以太网程序设计与实现

4.1 DSP开发环境CCS

CCS开发环境支持高级语言、汇编语言以及混和语言的程序设计。运用汇编语言进行DSP开发具有较高的效率；但是开发的周期长，且本文的算法复杂，完全采用汇编语言进行编程的难度很大[3]。随着C优化编译器的提高以及C语言本身的灵活性和易移植性，C语言已逐渐成为DSP软件开发的一种趋势。C语言作为一种高级语言，具有清晰易懂、可维护性和可移植性好以及通用性强等优点，尤其对算法的编写更加容易；因此，本文采用C语言进行软件设计。

4.2 W5300的驱动程序设计

W5300硬件驱动是通过对其寄存器编程控制来实现，完成数据的正确接收和发送。网络通信的过程可分为网卡初始化、接收控制和发送控制3个部分。

初始化过程主要是对以太网控制器的工作参数进行配置，以便以太网控制器可以正常工作。由于W5300的寄存器地址直接映射到C6713的存储空间CE2中，所以对W5300的寄存器进行读写操作就是对映射地址的读写操作，可以根据W5300的寄存器进行以太网控制器的工作参数设置。W5300可以通过初始化一些寄存器来实现通信链路的建立，W5300的初始化主要分3步进行：主机接口设置、网络信息设置和内部存储空间分配。程序实现如下。

void W5300_Init(void)

{

/* Software Reset */

ptr=(unsigned short *)MR;

*ptr=MR_RST;

Delay10ms();

// Set Hardware address 配置本机的硬件地址

// Set Gateway address

for(i=0;i<2;i++)

{

*ptr=param->GATEWAY[i];

ptr++;

}

// Set Subnet mask

// Set Source IP address for(i=0;i<2;i++)

{

*ptr=param->IP[i];

ptr++;

}

ptr=(unsigned short *)TMS01R;

// Set SOCKET0 TX memory size 2K

ptr=(unsigned short *)RMS01R;

// Set SOCKET0 TX memory size 2K

ptr=(unsigned short *)IMR; // SOCKET0～SOCKET7 interrupt

*ptr =0x00ff;

}

W5300不支持上电复位，但支持软件复位，复位信号的低电平至少要持续2 μs，在复位信号变成高电平后还需要至少持续10 ms，让内部锁相环处于稳定状态。在设计中，将C6713的GP6设置成GPIO口来控制W5300的RST脚。程序实现如下：

GPDIR=GPDIR|0x40; // HD7(GP6) 配置为输出，缺省上电后GPVAL=0，因此输出低电平

GPVAL=GPVAL&0xffbf;// GP6输出低电平，RESET

GPEN=GPEN|0x40; // GP6使能，由于HPI上电配置为禁止，因此使能输出后W5300处于RESET状态

Load_Parameters(); // 初始化，w5300的参数 上电顺序一定要注意

Delay10ms();

GPVAL=GPVAL|0x40; // GP6输出高电平，AIC32进入工作状态

GPEN=GPEN|0x40;

参数设置完毕，初始化完成后，编译下载到DSP后就可以在PC机上进行ping通信了。W5300的IP地址设置为：192.168.0.20；PC机的IP地址设置为：192.168.0.30。在DOS环境下输入ping命令，结果如图3所示，可以判断初始化设置正确。

图3 W5300与PC机ping通

完成初始化设置后，W5300可通过已打开的工作在TCP或UDP模式下的套接口进行数据的发送和接收。由于UDP是一种无连接不可靠的通信协议，本系统中没有使用，因此下述只介绍TCP模式下W5300的工作情况[4]。

TCP是以连接为基础的通信方式，它必须建立连接，然后利用连接的IP地址和端口号进行数据传输。TCP有2种连接方式：一种是服务器模式(被动开启)，即等待连接请求以建立连接；另一种是客户端模式(主动开启)，即发送连接请求到服务器。对于一个点对点的网络通信系统来说，客户端和服务器必须同时存在，但是对于某一特定的硬件平台，可以以其中的一种方式存在，在本系统中，W5300以服务器模式存在。W5300完成的功能包括套接口建立、接收客户端的连接请求、数据接收和发送和接收客户端的断开连接请求等，建立的软件流程如图4所示。

图4 TCP服务器模式流程图

5 系统调试

通过AIC32采集水下声信号，C6713将数据通过W5300向PC机传送。在PC机上使用TCP&UDP测试工具接收采集数据，观察数据的正确性，数据截图如图5所示。通过使用Wireshark软件对传输数据进行数据包抓取以及判断其工作方式是否是TCP，可以证实在TCP模式下，W5300与PC机工作数据可靠，发送稳定，满足了信号处理卡以太网传输设计的要求。

图5 通过TCP&UDP工具接收数据

6 结语

本文主要阐述了基于以太网控制芯片W5300在水下声学信号处理卡中的设计与实现(电路板见图6)，并使用C语言编写以太网芯片W5300驱动程序，代码在CCS3.3编译器上编译通过，实现了嵌入式设备接入以太网解决DSP与PC的网络通信的问题，为水下声学探测信号处理卡与上位机PC通信提供了一种新的传输方式和途径。

图6 水下声学探测信号处理卡

[1] 李方慧,王飞,何佩琨. TMS320C6000系列DSPs原理与应用[M].2版. 北京:电子工业出版社, 2003.

[2] 何梓滨,段发阶,吕晓明,等. 基于DSP网的嵌入式视觉系统[J].计量技术, 2008 (2):22-26.

[3] 周国庆,尹燕磊,张留全,等. 基于以太网的电力智能监控终端的研究[J]. 微计算机信息, 2007, 23 (3):37-39.

[4] 陈道喜,陈冬火,张广泉. TCP协议的安全性和活性验证[J]. 苏州大学学报:自然科学版, 2008, 24 (1):54-58.

责任编辑马彤

ApplicationofW5300inUnderwaterAcousticSignalProcessingBoardCommunicationSystem

YANG Kan，YU Hui，ZHANG Xianqi

(Microelectronics Department,North General Electronics Group Co.,Suzhou 215163,China)

Modern signal processing design that has often been used in signal processing board between host computer and data communications, DSP embedded device access Ethernet has become a new research field at present. The paper introduced a new type of 10/100 M Ethernet control chip W5300, and in underwater acoustic signal processing card system design based on W5300 embedded DSP data transmission hardware interface, prepared by NIC driver. Proved by the experiment achieved the design aim, through Ethernet, it can be gotten that remote, fast data transmission and storage and meet the requirements of underwater acoustic detection signal processing card work.

TMS320C6713，W5300，Ethernet，TCP

U 666

：B

杨侃(1979-)，男，硕士，工程师,主要从事数模混合集成技术和传感器应用技术等方面的研究。

2014-08-19