DM9000A原理及其與基帶信號處理平臺結合應用

發(fā)布時(shí)間:2010-6-19 18:05    發(fā)布者:zealot
關(guān)鍵詞: DM9000A , 基帶 , 信號處理
1 引言

軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速,在無(wú)線(xiàn)通信中的數字接收機領(lǐng)域應用尤為廣泛。FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)以其高集成度、高可靠性和靈活性,在軟件無(wú)線(xiàn)電平臺的設計中發(fā)揮著(zhù)重要的核心作用。同時(shí),SDR中的數據接口設計也是關(guān)鍵的環(huán)節。以太網(wǎng)是目前最通用的數據接口之一,但是中低端FPGA通常不具備以太網(wǎng)接口,這為FPGA在SDR中的應用造成了不便。如果為FPGA配置以太網(wǎng)接口,與外部網(wǎng)絡(luò )實(shí)現通信,將有利于SDR平臺的功能延伸,方便數據傳輸和與現有系統接口。

DM9000A是Davicom公司生產(chǎn)的一款功能強大的以太網(wǎng)控制器,支持10/100 M以太網(wǎng)速率,可與嵌入式微處理器(MPU)、單片機等以多種方式(如ISA總線(xiàn)等)接口,具有體積小、功耗低、配置靈活、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但在傳統應用中,很少有將DM9000A和FPGA直接結合應用的實(shí)例,為解決FPGA的以太網(wǎng)接口問(wèn)題,通常的解決方案是采用單片機或者M(jìn)PU在FPGA和以太網(wǎng)控制器之間進(jìn)行數據轉發(fā),但弊端是成本提高和功耗增加。

本文在自行設計開(kāi)發(fā)的OQPSK全數字接收機中,為實(shí)現高速解調數據的實(shí)時(shí)遠程傳輸處理及接收機參數的遠程配置,提出了采用FPGA直接控制DM9000A進(jìn)行以太網(wǎng)數據收發(fā)的設計思路。采用Xilinx系列XC2V1000 FPGA和DM9000A,實(shí)現低成本、低功耗和高速率的SDR平臺的網(wǎng)絡(luò )傳輸功能,其最高傳輸速率可達100 Mb/s。

2 DM9000A工作原理

2.1 主要特性和總體結構

DM9000A的主要特性如下:

支持8/16位數據總線(xiàn);
適用于10Base-T和100Base-T;
10/100 M自適應,適應不同的網(wǎng)絡(luò )速率要求;
內置16 KB的SRAM,用于收發(fā)緩沖,降低對主處理器的速度要求;
與IEEE 802.3u兼容,支持IEEE802.3x全雙工,可同時(shí)收發(fā);
具有睡眠模式,可降低功耗;
采用48引腳LQFP封裝,縮小PCB面積。

DM9000A功能結構框圖如圖1所示,DM9000A實(shí)現以太網(wǎng)媒體介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層(MAC)和物理層(PHY)的功能,包括MAC數據幀的組裝/拆分與收發(fā)、地址識別、CRC編碼/校驗、MLT-3編碼器、接收噪聲抑制、輸出脈沖成形、超時(shí)重傳、鏈路完整性測試、信號極性檢測與糾正等。


2.2 工作原理

DM9000A可與微處理器以8 bit或16 bit的總線(xiàn)方式連接,并可根據需要以單工或全雙工等模式運行。在系統上電時(shí),處理器通過(guò)總線(xiàn)配置DM9000A內部網(wǎng)絡(luò )控制寄存器(NCR)、中斷寄存器(ISR)等,完成DM9000A的初始化。隨后,DM9000A進(jìn)入數據收發(fā)等待狀態(tài)。

當處理器要向以太網(wǎng)發(fā)送數據幀時(shí),先將數據打包成UDP或IP數據包,并通過(guò)8 bit或16 bit總線(xiàn)逐字節發(fā)送到DM9000A的數據發(fā)送緩存中,然后將數據長(cháng)度等信息填充到DM9000A的相應寄存器內,隨后發(fā)送使能命令。DM9000A將緩存的數據和數據幀信息進(jìn)行MAC組幀,并發(fā)送出去。

當DM9000A接收到外部網(wǎng)絡(luò )送來(lái)的以太網(wǎng)數據時(shí),首先檢測數據幀的合法性,如果幀頭標志有誤或存在CRC校驗錯誤,則將該幀數據丟棄。否則將數據幀緩存到內部RAM,并通過(guò)中斷標志位通知處理器,處理器收到中斷后對DM9000A接收RAM的數據進(jìn)行處理。

DM9000A自動(dòng)檢測網(wǎng)絡(luò )連接情況,根據網(wǎng)速設置內部的數據收發(fā)速率為10 Mb/s或100 Mb/s。同時(shí),DM9000A還能根據RJ45接口連接方式改變數據收發(fā)引腳的方向,因此無(wú)論外部網(wǎng)線(xiàn)是采用對等還是交叉方式,系統均能正常通信。

3 SDR接收機網(wǎng)絡(luò )接口設計

在SDR接收機中,中頻模擬信號經(jīng)過(guò)A/D轉換、數字下變頻、抽取濾波等解調處理后,形成連續的解調數據流,其速率為10 Mb/s。在FPGA內部,解調輸出的數據流和以太網(wǎng)接口部分通過(guò)FIFO進(jìn)行緩沖,當解調數據達到規定的數據幀長(cháng)度時(shí),FPGA啟動(dòng)以太網(wǎng)發(fā)送程序,將解調數據發(fā)送到DM9000A,完成數據發(fā)送過(guò)程。在接收方向,網(wǎng)絡(luò )工作站把控制指令按照一定的幀格式組幀發(fā)送到以太網(wǎng),DM9000A接收到發(fā)給自身的以太網(wǎng)幀并通知FPGA啟動(dòng)以太網(wǎng)接收程序。FPGA將相應的數據從DM9000A的接收FIFO讀至FPGA內部RAM中,利用數據中的控制命令配置接收機參數,完成網(wǎng)絡(luò )對SDR接收機的遠程控制。

3.1 與FPGA的數據接口和控制接口

DM9000A的外部總線(xiàn)符合ISA標準?赏ㄟ^(guò)ISA總線(xiàn)直接與FPGA無(wú)縫連接。其硬件連接原理如圖2所示。


DM9000A內部集成了PHY功能,因此與以太網(wǎng)接口可以無(wú)縫連接。如圖3所示。


3.2 DM9000A的FPGA控制

3.2.1 初始化模塊

DM9000A正常工作需要在上電后對內部寄存器進(jìn)行初始化。該過(guò)程是通過(guò)FPGA對DM9000A外部控制總線(xiàn)和數據總線(xiàn)的讀寫(xiě)操作完成的。具體流程如下:

1) 激活PHY
設置GPR(REG_1F) CEPI00 bit[0]=0;
由于復位后,DM9000A恢復默認的休眠狀態(tài)以降低功耗,因此需要首先喚醒PHY。

2) 進(jìn)行兩次軟復位,步驟如下:
設置NCR(REG_00)bit[2:0]=011;至少保持20μs;
清除NCR(REG_00)bit[2:0]=000;
設置NCR(REQ_00)bit[2:0]=011;至少保持20μs;
清除NCR(REG_00)bit[2:0]=000;

3) 配置NCR寄存器
設置NCR(REG_00)bit[2:1]=00;配置為正常模式。
通過(guò)改變該寄存器可以選擇設置內部或者外部PHY、全雙工或者半雙工模式、使能喚醒事件等網(wǎng)絡(luò )操作。

4) 清除發(fā)送狀態(tài)
設置NSR(REG_01)bit[5]=1 bit[3]=l bit[2]=l;

5) 設置IMR寄存器(REG_FF)PAR bit[7]=l;啟用RX/TX FIFO SRAM讀/寫(xiě)地址指針自動(dòng)返回功能。

6) 通過(guò)IMR寄存器(REG_FF)PRM bit[0]/PTM bit[1],對RX/TX中斷使能。如果需要在一個(gè)數據幀發(fā)送完后產(chǎn)生一個(gè)中斷,應將PTM bit[1]置為1,如果需要在接收到一幀新數據時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷,應將PRM bit[1]置為1;

7) 設置RCR寄存器,使能數據接收功能。

以上步驟完成后.可以通過(guò)LED指示燈觀(guān)測DM9000A是否已成功完成初始化。

3.2.2 數據發(fā)送模塊

DM9000A的發(fā)送緩沖區可同時(shí)存儲兩幀數據,按照先后順序命名為幀I和幀II,DM9000A上電初始化后,發(fā)送緩存區的起始地址是00H,當前數據幀編號為幀I。兩幀數據的狀態(tài)控制字分別記錄在DM9000A的狀態(tài)寄存器03H和04H中。發(fā)送過(guò)程如下:

首先,FPGA利用寫(xiě)操作寄存器MWCMD(REG_F8)向DM9000A的發(fā)送緩存區中寫(xiě)入發(fā)送數據幀,寫(xiě)數據幀時(shí)需要先寫(xiě)入6字節的目的MAC地址,再寫(xiě)入6字節的源MAC地址,最后寫(xiě)入發(fā)送數據。

隨后,FPGA利用寫(xiě)操作寄存器MWCMD(REG_F8)將數據幀長(cháng)度寫(xiě)入寄存器FCH和FDH,數據長(cháng)度為16位,將高8位寫(xiě)入寄存器FCH,低8位寫(xiě)入寄存器FDH。

最后,FPGA將發(fā)送控制寄存器TCR(REG_02)的bit[1]置為高電平,向DM9000A發(fā)出發(fā)送數據指令。DM9000A自動(dòng)進(jìn)行一些處理才將數據發(fā)送至以太網(wǎng),包括:插入報頭和幀起始分隔符;插入來(lái)自上層協(xié)議的數據,如果數據量小于64字節,則自動(dòng)補齊64字節;根據目標地址、源地址、長(cháng)度/類(lèi)型和數據產(chǎn)生CRC校驗序列,并插入校驗序列位。這些處理都無(wú)需FPGA干預。處理完畢后,DM9000A即開(kāi)始發(fā)送幀I。在幀I發(fā)送的同時(shí),幀II的數據即可寫(xiě)入發(fā)送緩存區。在幀I發(fā)送完后,將幀II的數據長(cháng)度寫(xiě)入寄存器FCH和FDH,最后將發(fā)送控制寄存器NSR(REG_01)的bit[1]置為高電平,即可開(kāi)始幀II的發(fā)送。依此類(lèi)推,下面發(fā)送的幀將會(huì )繼續編號為幀I,幀II,幀I,幀II……按照同樣的方式發(fā)送。

如果FPGA將中斷屏蔽寄存器IMR(REG_FF)的bit[1]置為高電平,那么發(fā)送完畢后,DM9000A將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)指示發(fā)送完成的中斷信號。在發(fā)送過(guò)程中,FPGA可以查詢(xún)寄存器標志位寄存器NSR(REG_01)中的TX1END bit[2]或者TX2END bit[3]得到數據幀的發(fā)送狀態(tài)。

發(fā)送流程如圖4所示。寄存器ISR中的PTS標志位是發(fā)送中斷標志位,當一幀數據發(fā)送完畢,PTS=0,FPGA檢測到該標志后,應清除標志位以便發(fā)送新的數據幀。這里需要注意的是,向FC、FD所寫(xiě)的幀長(cháng)度應該是包含目的MAC地址段、源MAC地址段和有效數據的總長(cháng)度。


3.2.3 接收模塊

DM9000A中的接收緩存區是一個(gè)環(huán)形結構,初始化后的起始地址為0C00H,每幀數據都有4字節長(cháng)的首部,然后是有效數據和CRC校驗序列。首部4字節依次是01H、狀態(tài)、長(cháng)度低字節和長(cháng)度高字節,幀結構如圖5所示。


首部4字節含義如下:

第一個(gè)字節用于檢測接收緩存區中是否有數據。如果這個(gè)字節是01 H,表明接收到了數據;如果為00H,則說(shuō)明沒(méi)有數據。但是如果第一個(gè)字節既不是01H,也不是00H,DM9000A就必須作一次軟復位來(lái)從這種異常狀態(tài)中恢復。
第二個(gè)字節存儲以太網(wǎng)幀狀態(tài),由此可判斷所接收幀是否正確。
第三和第四字節存儲以太網(wǎng)幀長(cháng)度。后續的字節就是有效數據。

接收過(guò)程如下:

查看中斷狀態(tài)寄存器。如果接收到新數據,寄存器ISR的PRS位將被置為0;
如果檢測到PRS=0,清除PRS,FPGA開(kāi)始讀取接收緩存區數據。如果第一個(gè)字節是01H,則說(shuō)明有數據;如果是00H,則說(shuō)明無(wú)數據,需要進(jìn)行復位;
根據獲取的長(cháng)度信息,判斷是否讀完一幀。如果讀完,接著(zhù)讀下一幀,直到遇到首字節是00H的幀,說(shuō)明接收數據已讀完。FPGA可以重新查看中斷狀態(tài)寄存器,等待新的有效數據幀。接收流程如圖6所示。


4 結束語(yǔ)

本文對以太網(wǎng)控制器DM9000A的原理和功能進(jìn)行介紹,并結合自行開(kāi)發(fā)的SDR接收機平臺;贔PGA設計實(shí)現了100 M以太網(wǎng)接口。其設計思路新穎,硬件連接簡(jiǎn)單。整體系統具有功耗低、體積小、運行穩定可靠等優(yōu)點(diǎn)。SDR平臺的開(kāi)發(fā)融入網(wǎng)絡(luò )設計理念,在應用中有廣泛的前景,大大拓寬了SDR的功能。擴展了SDR的應用領(lǐng)域。
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axw_bab 發(fā)表于 2011-11-29 12:01:54
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        DM9006EP-64PIN LQFP,采用0.18工藝制成,2PORT SWTICH,支持遠程喚醒,IGMP,STP協(xié)議功能
        DM9003EP-64PIN LQFP,采用0.25工藝制成,2PORT SWTICH,支持遠程喚醒,HP 雙絞線(xiàn)自適功能
        DM9000AEP LQFP48PIN,采用0.25工藝制成,低功耗供電電壓2.5V-3.3V      
        DM9000CEP LQFP48PIN,采用0.18工藝制成,低功耗供電電壓1.8v-2.5v,支持AUOT-MIX功能.
        DM9000CIEP_工規網(wǎng)絡(luò )芯片(工作溫度-45--80度)
        DM9000E - (SMSC LAN91C111 Equivalent)ISA接口高速以太網(wǎng)絡(luò )三合一單芯片(含 MII / RMII 接口).       
②10MB/S 以太網(wǎng)絡(luò )芯片 
        DM9008AE - 0.25工藝制成,LOCAL BUS接口以太網(wǎng)絡(luò )三合一單芯片
③10/100MB/S 高速以太網(wǎng)絡(luò )實(shí)體層收發(fā)器 
        DM9161B - 低功率, 高速以太網(wǎng)絡(luò )實(shí)體層收發(fā)器. 48-pin 0.35um. 
        DM9161A - 低功率, 高速以太網(wǎng)絡(luò )實(shí)體層收發(fā)器. Auto-MDIX. 48-pin 0.25um.
        DM9161C  -- 低功率, 高速以太網(wǎng)絡(luò )實(shí)體層收發(fā)器
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        DM9161BIEP-工業(yè)級物理層PHY芯片(工作溫度-45--80度)        DM8203EP - FAST Ethernet Switch,內置IGMP,STP功能。
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qftek 發(fā)表于 2012-11-30 15:44:50
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