针对上述研究现状和分布式采集场景剖析，本文先容了一种基于FPGA和TOE架构，实现TCP/IP协议数据传输的多路采集与切换系统。该系统涉及并行、多路通道切换、TCP/IP协议通信等模块，并通过上位机PC（或键盘与LCD）进行远程（或本地）准确掌握与实时显示，知足多路通道切换、仿照旗子暗记并行采集、可靠性传输等功能的需求。
1 系统总体设计
该系统包含上、下位机设计，组成一个完全的多路采集与切换系统，系统总体设计框图如图1所示。上位机部分中的PC掌握与显示子系统，可根据监测需求，远程对下位机进行配置和支配，并实时显示获取的数据。LCD显示与键盘掌握子系统，与下位机安装为一体，可独立地对下位机进行通道掌握与旗子暗记检测，提升该系统的便捷性和实用性。下位机作为该系统的主体部分，紧张由基于FPGA芯片的核心调度、数据处理、通道管理、旗子暗记调理与采集、网络通信、串口通信、单片机掌握及电源与时钟管理七大模块组成。FPGA核心调度模块是下位机的核心部分，完成对下位机各个模块间的折衷运行与逻辑掌握，实现全局时钟管理、TCP/IP协议与串口通信、命令和数据的组帧与解析、通道切换与配置、旗子暗记采集与数据处理等功能。
基本事情事理：系统上电后，首先等待FPGA初始化，完成默认配置，被测外围接口保持关闭，下位机处于TCP做事器模式，等待上位机连接。上位机PC连接成功后，进行通道切换与选择命令配置，并通过以太网将命令数据传至下位机。然后，下位机通过以太网通信模块吸收TCP数据，解析数据获取命令后，逐一对各通道管理模块进行配置，切换到被测通道，并对个中8路通道的电压和电流进行旗子暗记调理与采集。每次采集的数据和状态信息，再通过数据处理模块组帧后，交付给以太网通信模块以TCP/IP协议发送数据至上位机。末了，上位机对吸收数据进行剖析和显示，完成对多路通道的远程切换、采集与监测。
若无PC连接，系统可利用键盘进行命令配置，LCD显示部分测试结果，采取串口通信与下位机进行命令和数据的交互，实现本地便捷掌握与监测。
2 系统硬件及FPGA设计
多路采集与切换系统的硬件设计紧张由电源与时钟模块、FPGA逻辑掌握模块、以太网通信模块、通道管理与切换模块、ADC旗子暗记采集模块和STM32掌握模块组成，硬件设计构造框图如图2所示。
2.1 FPGA逻辑掌握模块
FPGA逻辑掌握模块采取了基于Xilinx公司Spartan-6系列的XC6SLX150-2FG484C开拓的核心板AC6150具有高速、高带宽、高容量等特点。这款核心板尺寸为60 mm×60 mm，搭载FPGA上电配置功能，扩展用户I/O接口168个，并具备丰富的内部逻辑资源。其作为载板直插利用，为工程技能职员供应了一个简便的FPGA利用方案，极大降落了设计繁芜度与周期。
FPGA是下位机部分的核心掌握单元，逻辑设计采取硬件描述措辞(Verilog HDL)和集成开拓套件ISE14.7实现。FPGA逻辑掌握模块的顶层设计包括时钟管理与系统复位、W5500掌握、数据处理、通道切换、AD采集掌握以及STM32掌握等子模块，顶层模块卖力各个子模块的连接和逻辑综合，FPGA顶层设计构造如图2中间虚线框中所示。
2.2 以太网TCP/IP通信模块
以太网TCP/IP通信模块紧张采取WIZnet公司的一款多功能全硬件以太网接口芯片W5500，内部集成10/100 M以太网掌握器，嵌入TOE技能，支持TCP、UDP、IPv4等协议，无需考虑协议内部各层关系，不涉及操作系统，只须要精确配置就可以实现网络连接，接口电路大略、编程灵巧方便[8-9]。该模块电路如图3所示。
FPGA基于SPI（外部串行接口）协议对W5500内部的寄存器区和内存进行读写访问。寄存器区由通用寄存器区(用于配置网关、子网掩码、源IP和源MAC地址等)和8个Socket_n(0≤n≤7)寄存器区(用于配置Socket端口号、模式、配置命令等)组成。W5500内嵌32 KB缓存(吸收内存和发送内存，各占16 KB)，用于缓存以太网传输中已吸收和待发送的用户数据。
采取FPGA+W5500的办法实现基于TCP/IP协议的硬件通信系统设计，具有状态稳定、体积小、本钱低、高速可靠等上风。FPGA通过W5500掌握子模块实现W5500的状态机掌握和SPI协议通信，实现对W5500芯片的掌握和数据交互。W5500的状态机掌握包括对W5500掌握器的状态初始化、寄存器配置、TCP连接管理、内存数据读写等功能，其主掌握状态机状态转移如图4所示。
FPGA逻辑设计中，将W5500配置为TCP做事器模式，等待上位机PC（作为客户端）进行主动连接。建立连接后，PC下发通道切换、采集等命令数据，通过以太网传输至W5500。FPGA检测到W5500吸收中断后，从W5500吸收缓存中读取数据，然后交给数据处理模块，进行数据解析，并将命令信息下发到干系掌握模块。
数据处理模块紧张完成对吸收(和待发送)的TCP数据进行解析(和组帧)；W5500掌握模块的核心在于TCP的连接建立、数据吸收和数据发送掌握。利用Socket_0作为与上位机通信的端口，TCP通信建立、数据收发流程如图5所示。经回环测试，TCP传输最高速率达40 Mb/s，知足浩瀚嵌入式运用需求。
2.3 通道管理与切换模块
通道管理与切换模块采取通道选通芯片(ADG1408YRUZ)、电平转换芯片(LSF0108DCUR)、掌握切换芯片(ADG819BRM)和继电器(G3FD-X03SN)组成，以实现对外围不同接口管脚的选通、驱动和掌握。通道选通芯片实现8通道选一的选通功能；掌握切换芯片和继电器掌握外围输入通道是否接入；FPGA管脚输出电平为3.3 V，难以直接驱动外围器件，通过电平转换芯片将输出转换为5 V，以提高驱动能力。
当数据解析模块收到通道切换命令后，FPGA通过通道切换子模块，实现对外围芯片的掌握，完成多路不同通道的管理和切换。
2.4 ADC旗子暗记采集模块
ADC旗子暗记采集模块由电压采集和旗子暗记调理子模块组成。电压采集子模块选用ADI公司的高精度模数转换芯片AD7609BSTZ，它是一款18位、8通道、真差分、同步采样模数数据采集系统(DAS) ，最高吞吐率达200 kS/s。该系统采取2片AD7609芯片分别对8路被测通道的电压和电流进行采集，仿照旗子暗记输入范围采取±5 V。在采集前端，连接旗子暗记调理子模块，选用电流转电压芯片（MAX4080SASA+）将被测电流旗子暗记转换为仿照电压旗子暗记，再经由电压旗子暗记调理芯片（AD8276ARZ）和适当高精度电阻进行分压，使输入AD芯片的被测仿照旗子暗记范围在-5 V~+5 V之间。
FPGA完成对通道的管理切换后，通过AD采集掌握子模块，开启对接入被测的8路通道AD采集。采样频率为10 kHz，16路并行采集，采样速率达2.88 Mb/s（16×18 bit×10 kHz/s）。AD采集掌握子模块采取串行事情办法，每完成一次采集，将数据交由数据处理子模块进行组帧，再通过W5500将数据以TCP/IP协议传输至上位机PC。
3 系统软硬件综合测试
3.1 FPGA逻辑设计仿真与测试
进行FPGA逻辑设计时，仿真剖析是必不可少的环节，利用ISE14.7自带的仿真软件ISim和在线逻辑剖析软件ChipScope，有利于验证设计的精确性，提高设计效率。由于篇幅有限，以下针对该系统FPGA设计的重难点模块之一——以太网TCP/IP通信模块的W5500数据发送功能，进行仿真和测试剖析。
以太网TCP/IP通信通过掌握W5500实现，对W5500掌握模块进行数据发送测试仿真如图6所示。在吸收到命名标志Cmd_Receive后，将测试数据Test_Data_r[7:0]依次存入B_FIFO中，再以单bit的办法从B_FIFO中读出，结合SPI协议将数据发送至W5500发送缓存；数据全部写入后，给出写入完成标志W5500WrFlag，以此开启W5500进行TCP数据发送。利用ChipScope对实测旗子暗记在线“抓取”，得到W5500数据发送测试旗子暗记截图如图7所示，实测与仿真结果同等，表明该设计的精确性。
3.2 系统测试与效果
下位机采取标准2U机箱设计，可同时连接8台被测设备，每台设备有13路不同的接口，共需掌握8组×13路通道的切换。上位机的命令配置界面如图8所示，通过勾选通道组合，实现多通道选择和切换命令的配置。图8中展示了同时开启对8台被测设备的2通道监测，并施加掌握旗子暗记1、4的命令配置过程。
利用网络封包剖析软件WireShark对系统的TCP/IP传输过程进行测试，下位机为做事器（IP：192.168.1.168，端口号：10000），上位机PC为客户端（IP：192.168.1.1，端口号：8001），TCP/IP通信测试的流量统计结果如图9所示。图中给出“三次握手”建立TCP连接，和命令数据发送吸收与ACK回答过程，表明TCP/IP通信正常。
在2号通道接入被测器件，上位机采取图8中的通道切换命令配置，系统测试对应的PC和LCD监测显示结果如图10所示，PC在报表界面可实时显示被测8路通道的电压和电流，LCD以10 Hz的频率刷新显示监测结果。阅历久试验和测试结果表明，PC与LCD显示结果与实际同等，测试效果良好，显示画面稳定，操作便捷流畅。
4 结论
本文设计了一种基于FPGA和TCP/IP协议的多路采集与切换系统，其采取FPGA+W5500的办法实现了基于硬件的TCP/IP协议栈，并详细先容了该系统的TCP/IP通信、通道切换和多路采集部分的设计方法。综合测试结果表明，系统可以实现多路采集与切换掌握的功能，稳定可靠、利用便捷，具有一定的实用代价。
参考文献
[1] BAO S，YAN H，CHI Q，et al.A FPGA-based reconfigurable data acquisition system for industrial sensors[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics，2017，13(4)：1503-1512.
[2] 李洋，禹卫东，胡骁，等.基于FPGA的千兆以太网数传系统设计[J].电子丈量技能，2015(10)：72-77.
[3] 周浩，王浩全，任时磊.基于FPGA和NAND Flash的便携式旗子暗记采集系统设计[J].电子技能运用，2018，44(9)：88-92.
[4] ZSEBY T，IGLESIAS V F，BERNHARDT V，et al.A network steganography lab on detecting TCP/IP covert channels[J].IEEE Transactions on Education，2016：1-9.
[5] LIU Q，XU Z，LI Z .Implementation of hardware TCP/IP stack for DAQ systems with flexible data channel[J].Electronics Letters，2017，53(8)：530-532.
[6] 谢喆.基于FPGA的TCP/IP数据通信的设计与运用[D].武汉：武汉科技大学.
[7] 高柯柯.基于FPGA和W5500的串口数据切换系统研究与设计[D].兰州：兰州交通大学，2017.
[8] 王文，郑建生.基于FPGA的TCP/IP网络通信系统的设计与实现[J].当代电子技能，2018(8)：5-9.
[9] 彭海，高俊雄，王耘波.基于FPGA的虹膜图像采集系统设计[J].仪表技能与传感器，2016(1)：43-46.
作者信息:
王 威1，张秋云1，江 虹1，余恒松2，易志强1，朱 笛1
(1.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳621010；2.西南科技大学 国防科技学院，四川 绵阳621010)
