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千兆以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

[復(fù)制鏈接]
ID:900023 發(fā)表于 2021-4-2 16:10 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
包含硬件PCB硬件設(shè)計(jì)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(shí)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(chǔ)和串口通訊等。已經(jīng)打PCB板實(shí)際驗(yàn)證和Verilog代碼在硬件上的實(shí)際測(cè)試，測(cè)試部分包含：千兆網(wǎng)通訊收發(fā)測(cè)試、AD采集的數(shù)據(jù)驗(yàn)證、SD卡存儲(chǔ)驗(yàn)證、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘讀取和RTC的RAM突發(fā)讀取等。
PCB設(shè)計(jì)采用的是AD軟件，Verilog程序通過(guò)quartus II軟件編寫。現(xiàn)由硬件和軟件兩個(gè)方面簡(jiǎn)單介紹。
![主要功能框圖](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
一、硬件設(shè)計(jì)
                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(jì)方案。頂層和底層為信號(hào)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(hào)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(jì)中最要小心的是千兆以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)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(shí)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�？紤]版面問(wèn)題，數(shù)碼管只留了一個(gè)。硬件下載AD源文件下載鏈接：https://download.csdn.net/download/qq_39521541/15110220


![實(shí)際硬件正面](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
![實(shí)際硬件反面](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
![運(yùn)行硬件正面](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
AD中的三維圖如下：
![三維圖正面](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
![三維圖反面](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)

各模塊的原理圖如下，這是初版 的原理圖，實(shí)際的硬件在此基礎(chǔ)上進(jìn)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](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
![主芯片及外圍電路2](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
![電源管理部分電路](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
![千兆以太網(wǎng)部分電路](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)[存儲(chǔ)通訊和顯示電路](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)![電壓和電流采集電路](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
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(shí)現(xiàn)了AD7606電壓和電流數(shù)據(jù)的采集和RTC的時(shí)間和內(nèi)部RAM突發(fā)讀寫，然后并行的存儲(chǔ)和通過(guò)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(jì)如下圖：
                ![程序頂層模塊圖](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
通過(guò)電腦上的網(wǎng)絡(luò)助手同時(shí)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(chǔ)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?yàn)槲野遄由系拇谏峡梢圆迳弦粋�(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊，這樣串口數(shù)據(jù)也可以通過(guò)無(wú)線發(fā)送到電腦了，當(dāng)然硬件上也有有線的串口端子，也進(jìn)行了驗(yàn)證，不再截圖贅述。
![數(shù)據(jù)驗(yàn)證](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
程序主要難點(diǎn)在于邏輯與時(shí)序的處理，程序中進(jìn)行了一些時(shí)序的操作。為了方便我理清思路也進(jìn)行了主要的時(shí)序圖的繪制，如下圖所示，畫時(shí)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(shí)序圖](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
程序的模塊結(jié)構(gòu)如下圖所示，其中4G其實(shí)就是串口，為了進(jìn)行跨時(shí)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](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
接下來(lái)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(shí)現(xiàn)存的三個(gè)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](?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTIxNTQx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
時(shí)序約束部分截圖如下，時(shí)鐘主要約束了50M的系統(tǒng)時(shí)鐘、25M的SD卡時(shí)鐘和125M的千兆網(wǎng)時(shí)鐘。
![時(shí)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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