【紫光同创国产FPGA教程】【第二十四章】AD9238以太网传输

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适用于板卡型号：

PGL22G

1. 实验简介

本实验练习使用ADC的以太网传输，实验中使用的ADC模块型号为AN9238，最大采样率65Mhz，精度为12位。基于前面讲到的以太网实验，在本实验中把AN9238的采集数据以千兆以太网方式传输到上位机软件，我们可以用更加直观的方式观察波形，是一个数字示波器雏形，并且可以保存ADC数据。

AN9238双路65M采样12位ADC模块实验预期结果

2. 实验原理

2.1 制定UDP包协议

为了体现上位机的灵活性，基于UDP传输，制定了以下通讯协议，此协议包含在UDP数据包中。

一、获取板卡信息

（1）询问命令（共5字节，由上位机通过以太网发送）

字节数	1	4
命令信息	Header	32’h00000000 或32’h00010001

（2）应答命令（共27字节，由开发板通过以太网发送）

字节数	命令信息
1	Header|8’h01
4	32’h00010001
6	板卡MAC地址
4	板卡IP地址
1	符号位8’h00:无符号数 8’h01有符号数（设置无效，上位机要求为有符号数）
1	ADC有效数据长度，比如AD9226为12位，即8’d12
1	采集一次ADC的字节数（设置无效，上位机要求ADC数据位宽为两个字节）
1	采样通道（此功能上位机未实现）
4	采样率，即采样的频率，程序中设为65M
4	缓存的ADC数据长度，单位为字节

二、获取数据

（1）控制命令（由上位机发送数据请求）

字节数	命令信息
1	Header
4	32’h00010002
6	板卡MAC地址，确认是本地的MAC地址
4	采样通道（此功能未实现）
4	采样次数（采集数据为16位，采样次数为缓存数据长度的一半）

（2）应答命令（由开发板发送）

字节数	命令信息
1	Header|8’h01
4	32’h00010002
1024	ADC数据

每个UDP包都包含有Header，在第一个字节，其格式如下：

比特位	值（0）	值（1）
bit 0	查询或控制	应答
bit1~bit7	随机数据

注：当应答时，高7位随机数据保持不变，bit0设置为1

2.2 程序实现

首先在空闲状态，上位机会通过以太网广播发送询问命令，因此在IP层接收时要加上判断是否是广播UDP数据，如果是，也接收数据，此段代码在ip_rx.v中，如下所示：

之后在eth_cmd.v文件中判断接收到的数据信息，是否是询问命令或控制命令，从而产生出命令的应答请求信号cmd_reply_req，或请求数据的信号ad_data_req。

信号名称	方向	宽度(bit)	说明
clk	in	1	系统时钟
rst_n	in	1	异步复位，低电平复位
udp_rec_data_valid	in	1	UDP接收数据有效
udp_rec_ram_rdata	in	8	UDP接收到的数据
udp_rec_ram_read_addr	out	11	UDP接收数据RAM地址
udp_rec_data_length	in	16	UDP接收数据长度
udp_rd_en	in	1	UDP发送读使能信号
reply_data	out	8	命令应答数据
local_ip_addr	in	32	本地IP地址
local_mac_addr	in	48	本地MAC地址
ch_sel	out	32	通道选择（未使用）
sample_num	out	32	采样长度
header	out	8	命令头
cmd_reply_ack	in	1	命令应答响应
cmd_reply_req	out	1	命令应答请求
cmd_send_len	out	16	命令应答数据长度
ad_data_ack	in	1	ADC数据应答信号
ad_data_req	out	1	ADC数据请求信号

mac_ctrl.v文件实现以太网的传输控制，在IDLE状态下等待一定时间，进入CMD_WAIT状态，判断是否有命令请求cmd_reply_req或数据请求ad_data_req，之后进入CHECK_ARP状态，检查对应的IP地址是否在缓存列表中，如果没有，将发送ARP请求，等待应答。之后根据命令请求或数据请求进入相应的数据发送状态，CMD_SEND或AD_SEND状态。

信号名称	方向	宽度(bit)	说明
clk	in	1	系统时钟
rst_n	in	1	异步复位，低电平复位
udp_send_data_length	out	16	UDP发送数据长度
ip_rec_source_ip_addr	in	32	UDP接收到的广播IP地址
destination_ip_addr	out	32	目的IP地址
fifo_data	in	16	从FIFO中读出的ADC数据
fifo_data_count	in	11	FIFO中可读数据数量
fifo_rd_en	out	1	FIFO读信号
udp_rd_en	in	1	UDP发送读请求信号
header	in	8	命令头
sample_num	in	32	采样长度
sample_len	out	32	采样长度latch
reply_data	in	8	命令应答数据
cmd_reply_ack	out	1	命令应答响应
cmd_reply_req	in	1	命令应答请求
cmd_send_len	in	16	命令应答数据长度
ad_data_ack	out	1	ADC数据应答信号
ad_data_req	in	1	ADC数据请求信号
ad_sample_req	out	1	ADC采集请求信号
ad_sample_ack	in	1	ADC采集应答信号
mac_send_end	in	1	MAC发送结束信号
mac_not_exist	in	1	IP对应MAC不存在
arp_found	in	1	接收到MAC
udp_tx_req	out	1	UDP发送请求
arp_request_req	out	1	ARP发送请求
udp_data	out	8	UDP发送数据
read_req_ack	in	1	读FIFO应答
read_req	out	1	读FIFO请求
identify_code	out	16	IP序列号

注意：上位机设置的缓存空间为1M字节，请求数据间隔为100ms，因此在设置采样深度时要考虑到这两点。在eth_top.v程序中设置为32'h00080000，即512K字节，采样频率为65MHz，ADC采样端数据为两个字节长度，因此采样长度为采样字节除以2，即32’h00040000，计算得到4ms即可采集完成。ad9226_sample.v中将12位数据扩展16位，便于存储。移除了UDP发送数据的检验和。

3. 实验现象

1）首先要确保PC的网卡速度为千兆，否则无法显示。在网络连接中找到本地以太网， 双击出现如下界面，千兆网络默认连接如下图：

如未出现如上所述界面，先确认是否是千兆网线连接的和网卡是否支持千兆，网卡判别则右键属性

点击配置，可看到网卡型号查下是否支持千兆。

在链接速度中，可以看到目前的链接状态是多大速度，可在下拉菜单中查找链接选项，务必确保链接速度为1.0Gbps 全双工，如果没有这个选项，说明网卡不支持千兆以太网。

2）AN9238模块插入开发板的扩展口J8，注意1脚对齐，不要插错、插偏，不能带电操作，不清楚连接的可参考“AD9238波形显示例程”的教程。

3）连接AN9238的AD1输入到信号发生器的输出，这里使用的是专用屏蔽线，如果使用其他线可能会有较大干扰。

AN9238连接信号源示意图

4）下载程序，调节信号发生器的频率和幅度，AN9238输入范围-5V-5V，因此幅度最大设置为10Vpp，为了便于观察波形数据，建议信号输入频率1Khz到5Mhz。打开示波器.exe即可自动显示波形。此实验不需要设置PC的IP地址，连接PC和开发板即可。

附：上位机软件说明

绿色框显示发送板卡的MAC和IP地址。

红色框中为控制按钮，功能如下：

复位：点击复位可使波形显示到初始状态，如下图

自动：没有用处

垂直：“垂直“与“水平”切换，点击此按钮可进行水平垂直方向缩放的切换，在垂直状态下，滚动鼠标滚轴可进行垂直方向的缩放，水平状态下，进行水平方向的缩放。

暂停：“暂停“与”继续“切换，点击暂停波形，可再点击“继续”显示波形。

保存：保存ADC数据为TXT文档，保存路径在“路径”按钮处设置，默认为软件所在路径。

数值：“数值”与“电压”切换，Y方向坐标单位为原始值，即接收到的原始数据值，点击“电压”则显示电压值。

路径：选择保存路径

打开：打开已保存的TXT波形文件