千兆以太網(wǎng)設(shè)計

ID:900023 · 發(fā)表于 2021-4-2 16:10

包含硬件PCB硬件設(shè)計和FPGA的Verilog代碼的編寫，下圖為主要功能框圖。FPGA作為處理單元，實現(xiàn)了包括電流和電壓的采集、千兆以太網(wǎng)通訊、SD卡本地存儲和串口通訊等。已經(jīng)打PCB板實際驗證和Verilog代碼在硬件上的實際測試，測試部分包含：千兆網(wǎng)通訊收發(fā)測試、AD采集的數(shù)據(jù)驗證、SD卡存儲驗證、RTC實時時鐘讀取和RTC的RAM突發(fā)讀取等。
PCB設(shè)計采用的是AD軟件，Verilog程序通過quartus II軟件編寫。現(xiàn)由硬件和軟件兩個方面簡單介紹。
![主要功能框圖](

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一、硬件設(shè)計
下圖分別為硬件的正面和反面，純手工焊。綜合考慮千兆以太網(wǎng)中的高速數(shù)據(jù)線的差分阻抗100MΩ、數(shù)字電源和模擬電源的劃分等，PCB主要采用四層板的設(shè)計方案。頂層和底層為信號走線層；第二層為完整的地層，分為數(shù)字地（DGND）和模擬地(AGND)，為頂層的信號層和電位電流模擬量的采集提供參考；第三層為電源層，本層提供較為完整的3.3V電源平面和模擬地平面，還有1.2V和2.5V的電源平面。
其中硬件設(shè)計中最要小心的是千兆以太網(wǎng)的設(shè)計和電流采集部分。千兆網(wǎng)部分采用的是ETL8211EG芯片，支持千兆以太網(wǎng)，要實現(xiàn)千兆網(wǎng)絡(luò)，要保證查分阻抗100Ω，就需要考慮蛇形走線和線寬線距、參考層等因素。電流采集部分要考慮模擬地的劃分和電流的放大倍數(shù)、高精度電阻等，這里我選的是INA240A系列，包含20、50、100、200四種增益可以選擇。數(shù)模轉(zhuǎn)換是8通道，每通道16位，支持并行的200SPS的AD7606芯片。SD卡就是最常見的Micro SD Card，買的閃迪的16G的卡。RTC是常見的DS1302。考慮版面問題，數(shù)碼管只留了一個。硬件下載AD源文件下載鏈接：https://download.csdn.net/download/qq_39521541/15110220

![實際硬件正面](

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![實際硬件反面](

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![運行硬件正面](

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AD中的三維圖如下：
![三維圖正面](

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![三維圖反面](

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各模塊的原理圖如下，這是初版的原理圖，實際的硬件在此基礎(chǔ)上進行了修改，但是變化不大，就不再截圖了。
![主芯片及外圍電路1](

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![主芯片及外圍電路2](

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![電源管理部分電路](

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![千兆以太網(wǎng)部分電路](

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二、軟件程序編寫
在以上硬件的基礎(chǔ)上編寫了程序，總程序5000余行。實現(xiàn)了AD7606電壓和電流數(shù)據(jù)的采集和RTC的時間和內(nèi)部RAM突發(fā)讀寫，然后并行的存儲和通過千兆以太網(wǎng)與串口發(fā)送到電腦上。
程序的頂層模塊設(shè)計如下圖：
![程序頂層模塊圖](

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通過電腦上的網(wǎng)絡(luò)助手同時采集到的串口數(shù)據(jù)、千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和用Winhex查看的SD卡內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)如下圖，數(shù)據(jù)完全一致。串口數(shù)據(jù)為什么也用網(wǎng)絡(luò)助手顯示呢，因為我板子上的串口上可以插上一個網(wǎng)絡(luò)模塊，這樣串口數(shù)據(jù)也可以通過無線發(fā)送到電腦了，當然硬件上也有有線的串口端子，也進行了驗證，不再截圖贅述。
![數(shù)據(jù)驗證](

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程序主要難點在于邏輯與時序的處理，程序中進行了一些時序的操作。為了方便我理清思路也進行了主要的時序圖的繪制，如下圖所示，畫時序圖的軟件可以在這里下載https://download.csdn.net/download/qq_39521541/14951291，破解版很好用。![主要邏輯時序圖](

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程序的模塊結(jié)構(gòu)如下圖所示，其中4G其實就是串口，為了進行跨時鐘域和SD的閃存，用了雙口FIFO、雙口RAM、單口RAM、ROM等IP核。
![程序模塊結(jié)構(gòu)圖](

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接下來是編譯后的資源占用情況和編譯信息，從圖中可以看出基本不存在警告，其實現(xiàn)存的三個警告，完全不影響結(jié)果，而且知道警告存在的原因即可。
![編譯結(jié)果](

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時序約束部分截圖如下，時鐘主要約束了50M的系統(tǒng)時鐘、25M的SD卡時鐘和125M的千兆網(wǎng)時鐘。
![時鐘約束](

)

最后的最后附上總的程序源碼：https://download.csdn.net/download/qq_39521541/15110143
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