基于W5300的外系统等效器设计
文章编号：1001-9944(2015)01-0024-05
鲍晓祺1，2，杜文略1，2，沈三民1，2
（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051）
摘要：针对飞行器测试实验阶段需要对飞行器各种信号进行模拟，以配合测试系统的工作，设计了一种基于以太网传输接口、以FPGA 为控制核心的外系统等效器。该等效器采用
W5300实现以太网与上位机进行通信，命令下发至主控板FPGA 进行解析转发，来控制协调
各个功能板产生需要的信号，包括27路直流信号、17路状态信号、15路脉冲信号以及3路正弦交流、平台力矩电流、数字串口、马达电源等信号。与其他设备联试结果显示，该等效器可靠性高且功能稳定，已成功应用于某航天测试系统。关键词：W5300；等效器；以太网；信号源中图分类号：TN919
文献标志码：A
Design of Equivalent Equipment for External System Based on W5300
BAO Xiao -qi 1，2，DU Wen -l üe 1，2，SHEN San -min 1，2
（1.Key Laboratory of Instrumentation Science &Dynamic Measurement ，North University of China ，Ministry of Educa -
tion ，Taiyuan 030051，China ；2.National Key Laboratory for Electronic Measurement and Technology ，North University of China ，Taiyuan 030051，China ）
Abstract ：Aiming at the experimental stage vehicle test ，the need for aircraft to match various signal simulation test system ，a system was designed based on Ethernet transmission interface ，using FPGA as the control core of the exter -nal system equivalent device.The equivalent device adopts W5300to realize the communication between PC and FPGA Ethernet ，sent to the main control board command parsing forwarding ，to control the function board coordination produce the required signal ，including 27DC signal ，17Road ，15road condition signal pulse signal and the 3Road sinusoidal alternating current ，torque current ，serial ，digital platform motor power signal.Test results in combination with other equipment display ，high reliability and stable function of the equivalent device ，has been successfully ap -plied in a space test system.
Key words ：W5300；equivalent equipment ；Ethernet ；signal source
收稿日期：2014-10-24；修订日期：2014-11-26基金项目：国家自然科学基金重点项目（51275491）
作者简介：鲍晓祺（1988—），男，在读硕士研究生，研究方向为数字通信；杜文略（1990—），男，在读硕士研究生，研究方向为
测试计量技术及仪器；沈三民（1972—），男，副教授，研究方向为智能探测与控制。
在各型号导弹及飞行器正式投入工作之前，需要对其各项功能指标进行实验测试，然而由于导弹、飞行器等一般造价昂贵，实验过程中如果直接
进行实弹发射或是飞行器升空来进行测试会造成巨大的损耗，而且会造成很多额外的人力资源及财力物力浪费。因此，本文设计了一种外系统等效器
来模拟导弹及飞行器发射或升空时一些控制及状态参数，以配合测试系统的其他部分进行联试，达到预期的检测效果。该等效器采用模块化设计以增强其通用性、可靠性、智能性，而且出现问题后可以高效解决。
1系统的总体结构
整个系统由背板、模拟信号板、状态脉冲信号板、正弦信号板及马达电源信号板5块板卡组成，如图1所示。
等效器系统利用以太网接口的UDP协议传输模式，实现上位机与硬件之间的网络通信，背板接收上位机下发的指令，在FPGA解析命令并通过RS422接口转发给各个功能模块，同时背板与外部电源相连，为各个功能板供电；各个功能板都由RS422接口模块、FPGA控制模块、信号产生模块组成，RS422接口电路在FPGA的时序控制下接收背板的命令并通过外围信号产生电路产生相应的信号[1-2]。
2系统硬件设计
2.1W5300以太网接口电路设计
传统的等效器多采用USB或PCI接口实现工控主机与等效器系统的通信，USB接口容易掉线而PCI受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差。因此本系统选用WizNet公司的W5300设计以太网接口与主机通信。此芯片集介质访问控制管理、物理层控制、固件通信协议于一体，大大简化接口设计工作，提高设计效率。
设计中W5300采用直接寻址模式，FPGA将W5300配置成接收模块，直接寻址模式下，FPGA通过地址总线可以访问W5300的内部寄存器。以太网与FPGA连接如图2所示。
设计中BIT16EN为高电平，设置为16位数据总线；TEST_MODE[3：0]和OP_MODE[3：0]引脚接地，配置为全功能自动握手工作模式；W5300与RJ45之间接入隔离变压器，既能提高稳定性和抗噪性又能保护接口电路[3-4]。
2.2正弦交流信号源电路设计
本系统要求产生3路幅值不同频率不同的正弦信号，采用AD558作为D/A转换芯片，再加上AD824和一些电阻电容构成信号调理电路及RC有源低通滤波器，通过VHDL编写程序，分时读出FPGA内部ROM中提前写入的256个采样点，即可产生相应幅值、频率的正弦交流信号，电路如图3所示。REF0205可以产生5V参考电压，AD558通过不同的连接方式可以将其输出电压范围调节在0～2.56V或0～10V，本设计采用后者的接法。
2.3模拟量信号源电路设计
在模拟量信号源模块中，主要包括D/A转换器、模拟开关和调理电路的设计，本模块主要功能是FPGA输出12位数字量，经由AD7945进行数模转换、再经AD827放大、通过ADG506模拟开关选择通道，再经过OPA4234放大或跟随，输出-10V～10V，-5V～5V，0～5V之间的直流量输出。对于可调不同电压值的直流量信号，用D/A转换器产生小幅度电压，然后经过信号调理电路调理后产生所需要的电压值，是最优先的选择。对于27路的直流信号，因为每一路直流信号的变化较缓慢，每一路直流信号单独输出，不太现实，而且成本会很高，因此本系统设计时用模拟开关分时切换来输出27路信号，这样27路模拟直流信号仅仅需要一片D/A转换电路就可实现。模拟信号产生电路如图4所示。
图1系统总体结构
Fig.1Overall structure of system
图2W5300接口框图
Fig.2W5300interface diagram
隔离变压器
RJ45
W5300
CS
WR
RD
ADDR[9:0]
DATA[15:0]
BIT16EN
OP_MODE[2:0]
RESET
FPGA
CS
WR
RD
ADDR[9:0]
DATA[15:0]
BIT16EN
OP_MODE[2:0]
RESET
各
个
功
能
模
块
FPGA
以太网
接口模块
工控机指令及数据
收发模块
供电模块电源
422接口电路
FPGA
信号产生电路模拟信号板
422接口电路
FPGA
信号产生电路
状态脉冲信号板
422接口电路
FPGA
信号产生电路
正弦信号板
422接口电路
FPGA
信号产生电路
马达电源信号板测量系统
背板
图3正弦交流信号电路图
Fig.3Sinusoidal ac signal circuit diagram
2.4状态脉冲信号电路设计
本系统利用三极管的开关作用及光耦芯片
AQY210在FPGA 的时序控制下，接收上位机命令，
产生28V 、35V 的17路状态信号及1s 、500ms 、
200ms 的15路脉冲信号。具体电路如图5所示。FPGA 解析命令控制管脚输出0或1，与三极管DD1端相连。当DD1为高电平，三极管导通，处于饱和状态，电流流过AQY210的1、2管脚，使光耦导通，4管脚即可输出3管脚所接的电压；当DD1为
低电平，则三极管处于截止状态，光耦不能导通，由
此产生28V 、35V 的状态信号。通过FPGA 控制导通时间即可产生1s 、500ms 、200ms 的脉冲信号。
2.5马达电源信号电路设计
任务要求本系统可以产生马达电源信号以驱
图4模拟信号产生电路
Fig.4Analog signal circuit
图5
状态脉冲信号产生电路
Fig.5State pulse signal circuit
12345678910
DB1_0DB1_1DB1_2DB1_3DB1_4DB1_5DB1_6DB1_7CE1CS1
111615141312
DB0V CC DB1DB2DB3DB4Vout DB5Vout_SE DB6Vout_ST DB7CE GND CS GND U3AD558
AGND
AGND
+15V
AD824
C 2
104
-15V
AGND
+15V C 511μF C 3104
23-+4
11
+15V U6A
1C 521μF R 5
100
AGND Vref R 111k R 121k
R 232k
AGND
56R 252k
+-U6B AD824
7R 6100KUztjdy 幅度为4V 的2kHz 的正弦信号
C 4
104AGND
+15V C 5
106C 6
104AGND
-15V C 7
106U8
+15V
C 64105
Vref
6
24VIN
GND VOUT
REF0205C 8104C 57106
AGND BD0BD1BD2BD3BD4BD5BD6BD7BD8BD9BD10BD11CS WR
U5+15V C 29105
VCC
6
24VIN
GND VOUT REF0205
C 3104
C 4104
AGND +15V
C 35
106-15V
AGND C 5
104
C 36106
R 341.2k
R 341.2k +15V U6A AD827
+-321
-15V R 142.4k
C 5110pF R 401.2k
R 82.4k
C 50
10pF U6B AD827
-+
6
57R 720R 19510
C 2
104
U4
AD7945
151413121110987654
1617BD0VDD BD1BD2
BD3DGND BD4BD5
BD6VREF BD7
BD8RFB BD9
BD10IOUT BD11
CS AGND WR
18319201
2kBmxjs R 3951+28V
AQY210
JD5
VCC R 321k R 36200
Q53DK103
DD 1
1423
动测量系统的马达正常工作。该信号为正负对称的大功率方波信号，因此在AD827进行一级放大之后，采用REF0205产生5V 偏置电压，再利用滑动变阻器微调，使其产生正负对称的方波信号。由
于所需马达信号功率较大，采用大功率且散热较好的运放芯片OPA548再次进行放大，最终产生功率与电压符合标准的马达信号源，电路图如图6所示。
3
系统软件设计
3.1
总体逻辑设计
整体的程序逻辑图如图7所示。
先对系统进行上电复位，待系统中的各个芯片都完成复位后，W5300完成初始化，当上位机软件发送命令时，该系统接收命令然后按照通信协议将
数据存储到以太网接口卡的FPGA 内部寄存器中，
然后通过RS422接口发送给各个功能版的RS422接口。然后，功能板的RS422接口接收数据经FPGA 处理后，统一调度，解析命令并下发，在命令中应该包括4种信号源的信息，然后输出各种信号源[5-6]。
3.2W5300控制逻辑设计
以W5300实现以
太网主要包括复位、初
始化、数据接收、数据发送4个模块，可以基于
FPGA 用VHDL 语言对W5300的工作方式进行
状态设置，W5300逻辑控制流程如图8所示。
W5300在工作之前
需要进行上电复位，且复位信号RESET 至少要保持2μs 的低电平，然后变为高电平，等待至少10ms 使得W5300内部锁相环稳定后，再进行W5300初始化等操作。初始化W5300就
图6马达电源信号电路
Fig.6Motor power supply circuits
图7整体逻辑设计流程图
Fig.7Overall logical design flow chart
开始复位通过RS422接口向其它模块发送数据，其它模块接收数据进行命令解析
初始化W5300
W5300接收到数据？
接收数据并存储至FPGA 内部寄存器状态脉冲信号
模拟信号
正弦信号
马达电源信号
信号源输出
Y
N
图8
W5300逻辑控制流程图
Fig.8W5300logic control
flow chart
开始
W5300复位W5300初始化SOCKETO 建立连接
读寄存器值
数据为0？
读取数据
发送使能？
发送数据
Y
N
N
Y
U4+15V
C 82105
6
24
VIN
GND VOUT REF0205C 52106C 2104
+5V
R 13510k
R 315k R 405k R 325k
-+
65
7U5B AD827
R 651k
+15V +-321U5A AD827-15V
4
8R 20
3.6k
R 51.2k R 173.6k
R 61.2k
kUtlmddyA 1R 335k R 355k R 375k
R 671k R 691k R 853.9k
-+217634
5
U6+28V R 863.9k R 711k D3
D3
R 96510OPA548R 9114.7k C 89103
-28V
kUtlmddyA
是将相应的参数按照写时序要求写入寄存器即可，初始化分3个步骤：主机接口设置、网络信息设置和内部TX ／RX 存储器的分配。在设置主机接口时，模式寄存器MR 保持默认值0xB800，这样W5300便工作在16位总线宽度的直接访问模式；中断屏蔽寄存器IMR 写入0xFF ，不屏蔽任何中断。为了实现以太网传输协议，FPGA 在程序中必须对SOCK -ET 进行初始化，本系统中选择SOCKET0，通过Sn_MR （P3：P0）设置协议类型和Sn_PORTR 设置本机端口。然后执行开始OPEN 命令。执行OPEN 命
令后，如果SOCKET 的状态改变为SOCK_UDP ，则完成SOCKET 的初始化。
4系统试验结果与分析
本系统上位机软件采用VB 编写，当上位机设
定好所发信号类型、路数、占空比、频率、振幅等参数，处理程序根据所设参数组合成标准命令帧，然后按照协定好的统一的通信协议，通过以太网接口下发，背板接收并解析命令后再通过RS422接口转发给各个功能版，功能版再次解析命令，并控制功能版信号产生模块产生相应的信号。
仅以产生一个4V 、2kHz 的正弦交流信号为例。如图9为上位机控制界面，上位机发送长度为9字节的命令帧6D 5B 59BB 9E 6600EB 90，其中6D 5B 为帧头，EB 90为帧尾，59BB 9E 6600分别为“板卡”、“路数序号”、“频率”、“振幅”、“启动/停止状态”参数。
经功能板FPGA 解析命令后，控制交流正弦模块输出振幅4V 、频率2kHz 的正弦交流信号。图10为产生的正弦波信号。
5结语
本文研究设计了一种应用于测量系统与飞行
器控制系统的等效接口，产生各种测试所需的信号，以达到在实验室、总装厂以及技术阵地能全面模拟外系统配合测量系统进行系统测试。通过对系统实测数据和波形的分析结果显示，系统能准确通过以太网接口接收上位机发送的命令，控制各个功能模块产生所需的信号，并且已成功用于某航天测试系统中。
参考文献：
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[6]
苏虎平，沈三民，刘文怡，等.基于USB 和FPGA 的多功能等效器设计[J].电视技术，2012，36（23）：56-59.
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图94V/2kHz 正弦交流信号（上位机）
Fig.94V/2kHz sinusoidal ac signal （PC
）
图10
4V/2kHz 正弦交流信号（示波器）
Fig.104V/2kHz sinusoidal ac signal （scope
）
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