基于XC2V1000 FPGA和DM9000A实现OQPSK全数字接收机的设计

作者：苏耀峰，王德刚，魏急波

1 引言

软件无线电（SDR）技术近年来发展迅速，在无线通信中的数字接收机领域应用尤为广泛。FPGA（现场可编程门阵列）以其高集成度、高可靠性和灵活性，在软件无线电平台的设计中发挥着重要的核心作用。同时，SDR中的数据接口设计也是关键的环节。以太网是目前最通用的数据接口之一，但是中低端FPGA通常不具备以太网接口，这为FPGA在SDR中的应用造成了不便。如果为FPGA配置以太网接口，与外部网络实现通信，将有利于SDR平台的功能延伸，方便数据传输和与现有系统接口。

DM9000A是Davicom公司生产的一款功能强大的以太网控制器，支持10／100 M以太网速率，可与嵌入式微处理器（MPU）、单片机等以多种方式（如ISA总线等）接口，具有体积小、功耗低、配置灵活、使用简单等特点。但在传统应用中，很少有将DM9000A和FPGA直接结合应用的实例，为解决FPGA的以太网接口问题，通常的解决方案是采用单片机或者MPU在FPGA和以太网控制器之间进行数据转发，但弊端是成本提高和功耗增加。

本文在自行设计开发的OQPSK全数字接收机中，为实现高速解调数据的实时远程传输处理及接收机参数的远程配置，提出了采用FPGA直接控制DM9000A进行以太网数据收发的设计思路。采用Xilinx系列XC2V1000 FPGA和DM9000A，实现低成本、低功耗和高速率的SDR平台的网络传输功能，其最高传输速率可达100 Mb／s。

2 DM9000A工作原理

2.1 主要特性和总体结构

DM9000A的主要特性如下：

• 支持8／16位数据总线；
• 适用于10Base-T和100Base-T；
• 10／100 M自适应，适应不同的网络速率要求；
• 内置16 KB的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求；
• 与IEEE 802.3u兼容，支持IEEE802.3x全双工，可同时收发；
• 具有睡眠模式，可降低功耗；
• 采用48引脚LQFP封装，缩小PCB面积。

DM9000A功能结构框图如图1所示，DM9000A实现以太网媒体介质访问层（MAC）和物理层（PHY）的功能，包括MAC数据帧的组装／拆分与收发、地址识别、CRC编码／校验、MLT-3编码器、接收噪声抑制、输出脉冲成形、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正等。

2.2 工作原理

DM9000A可与微处理器以8 bit或16 bit的总线方式连接，并可根据需要以单工或全双工等模式运行。在系统上电时，处理器通过总线配置DM9000A内部网络控制寄存器（NCR）、中断寄存器（ISR）等，完成DM9000A的初始化。随后，DM9000A进入数据收发等待状态。

当处理器要向以太网发送数据帧时，先将数据打包成UDP或IP数据包，并通过8 bit或16 bit总线逐字节发送到DM9000A的数据发送缓存中，然后将数据长度等信息填充到DM9000A的相应寄存器内，随后发送使能命令。DM9000A将缓存的数据和数据帧信息进行MAC组帧，并发送出去。

当DM9000A接收到外部网络送来的以太网数据时，首先检测数据帧的合法性，如果帧头标志有误或存在CRC校验错误，则将该帧数据丢弃。否则将数据帧缓存到内部RAM，并通过中断标志位通知处理器，处理器收到中断后对DM9000A接收RAM的数据进行处理。

DM9000A自动检测网络连接情况，根据网速设置内部的数据收发速率为10 Mb／s或100 Mb／s。同时，DM9000A还能根据RJ45接口连接方式改变数据收发引脚的方向，因此无论外部网线是采用对等还是交叉方式，系统均能正常通信。

3 SDR接收机网络接口设计

在SDR接收机中，中频模拟信号经过A／D转换、数字下变频、抽取滤波等解调处理后，形成连续的解调数据流，其速率为10 Mb／s。在FPGA内部，解调输出的数据流和以太网接口部分通过FIFO进行缓冲，当解调数据达到规定的数据帧长度时，FPGA启动以太网发送程序，将解调数据发送到DM9000A，完成数据发送过程。在接收方向，网络工作站把控制指令按照一定的帧格式组帧发送到以太网，DM9000A接收到发给自身的以太网帧并通知FPGA启动以太网接收程序。FPGA将相应的数据从DM9000A的接收FIFO读至FPGA内部RAM中，利用数据中的控制命令配置接收机参数，完成网络对SDR接收机的远程控制。

3.1 与FPGA的数据接口和控制接口

DM9000A的外部总线符合ISA标准。可通过ISA总线直接与FPGA无缝连接。其硬件连接原理如图2所示。

DM9000A内部集成了PHY功能，因此与以太网接口可以无缝连接。如图3所示。

3.2 DM9000A的FPGA控制

3.2.1 初始化模块

DM9000A正常工作需要在上电后对内部寄存器进行初始化。该过程是通过FPGA对DM9000A外部控制总线和数据总线的读写操作完成的。具体流程如下：

1） 激活PHY

设置GPR（REG_1F） CEPI00 bit［0］=0；

由于复位后，DM9000A恢复默认的休眠状态以降低功耗，因此需要首先唤醒PHY。

2） 进行两次软复位，步骤如下：

设置NCR（REG_00）bit［2：0］=011；至少保持20μs；

清除NCR（REG_00）bit［2：0］=000；

设置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

设置NCR（REG_00）bit［2：1］=00；配置为正常模式。

通过改变该寄存器可以选择设置内部或者外部PHY、全双工或者半双工模式、使能唤醒事件等网络操作。

4） 清除发送状态

设置NSR（REG_01）bit［5］=1 bit［3］=l bit［2］=l；

5） 设置IMR寄存器（REG_FF）PAR bit［7］=l；启用RX／TX FIFO SRAM读／写地址指针自动返回功能。

6） 通过IMR寄存器（REG_FF）PRM bit［0］／PTM bit［1］，对RX／TX中断使能。如果需要在一个数据帧发送完后产生一个中断，应将PTM bit［1］置为1，如果需要在接收到一帧新数据时产生一个中断，应将PRM bit［1］置为1；

7） 设置RCR寄存器，使能数据接收功能。

以上步骤完成后．可以通过LED指示灯观测DM9000A是否已成功完成初始化。

3.2.2 数据发送模块

DM9000A的发送缓冲区可同时存储两帧数据，按照先后顺序命名为帧I和帧II，DM9000A上电初始化后，发送缓存区的起始地址是00H，当前数据帧编号为帧I。两帧数据的状态控制字分别记录在DM9000A的状态寄存器03H和04H中。发送过程如下：

首先，FPGA利用写操作寄存器MWCMD（REG_F8）向DM9000A的发送缓存区中写入发送数据帧，写数据帧时需要先写入6字节的目的MAC地址，再写入6字节的源MAC地址，最后写入发送数据。

随后，FPGA利用写操作寄存器MWCMD（REG_F8）将数据帧长度写入寄存器FCH和FDH，数据长度为16位，将高8位写入寄存器FCH，低8位写入寄存器FDH。

最后，FPGA将发送控制寄存器TCR（REG_02）的bit［1］置为高电平，向DM9000A发出发送数据指令。DM9000A自动进行一些处理才将数据发送至以太网，包括：插入报头和帧起始分隔符；插入来自上层协议的数据，如果数据量小于64字节，则自动补齐64字节；根据目标地址、源地址、长度／类型和数据产生CRC校验序列，并插入校验序列位。这些处理都无需FPGA干预。处理完毕后，DM9000A即开始发送帧I。在帧I发送的同时，帧II的数据即可写入发送缓存区。在帧I发送完后，将帧II的数据长度写入寄存器FCH和FDH，最后将发送控制寄存器NSR（REG_01）的bit［1］置为高电平，即可开始帧II的发送。依此类推，下面发送的帧将会继续编号为帧I，帧II，帧I，帧II……按照同样的方式发送。

如果FPGA将中断屏蔽寄存器IMR（REG_FF）的bit［1］置为高电平，那么发送完毕后，DM9000A将会产生一个指示发送完成的中断信号。在发送过程中，FPGA可以查询寄存器标志位寄存器NSR（REG_01）中的TX1END bit［2］或者TX2END bit［3］得到数据帧的发送状态。

发送流程如图4所示。寄存器ISR中的PTS标志位是发送中断标志位，当一帧数据发送完毕，PTS=0，FPGA检测到该标志后，应清除标志位以便发送新的数据帧。这里需要注意的是，向FC、FD所写的帧长度应该是包含目的MAC地址段、源MAC地址段和有效数据的总长度。

3.2.3 接收模块

DM9000A中的接收缓存区是一个环形结构，初始化后的起始地址为0C00H，每帧数据都有4字节长的首部，然后是有效数据和CRC校验序列。首部4字节依次是01H、状态、长度低字节和长度高字节，帧结构如图5所示。

首部4字节含义如下：

第一个字节用于检测接收缓存区中是否有数据。如果这个字节是01 H，表明接收到了数据；如果为00H，则说明没有数据。但是如果第一个字节既不是01H，也不是00H，DM9000A就必须作一次软复位来从这种异常状态中恢复。

第二个字节存储以太网帧状态，由此可判断所接收帧是否正确。

第三和第四字节存储以太网帧长度。后续的字节就是有效数据。

接收过程如下：

查看中断状态寄存器。如果接收到新数据，寄存器ISR的PRS位将被置为0；

如果检测到PRS=0，清除PRS，FPGA开始读取接收缓存区数据。如果第一个字节是01H，则说明有数据；如果是00H，则说明无数据，需要进行复位；

根据获取的长度信息，判断是否读完一帧。如果读完，接着读下一帧，直到遇到首字节是00H的帧，说明接收数据已读完。FPGA可以重新查看中断状态寄存器，等待新的有效数据帧。接收流程如图6所示。

4 结束语

本文对以太网控制器DM9000A的原理和功能进行介绍，并结合自行开发的SDR接收机平台。基于FPGA设计实现了100 M以太网接口。其设计思路新颖，硬件连接简单。整体系统具有功耗低、体积小、运行稳定可靠等优点。SDR平台的开发融入网络设计理念，在应用中有广泛的前景，大大拓宽了SDR的功能。扩展了SDR的应用领域。