邏輯模塊 - 基于FPGA狀態(tài)機設(shè)計實現(xiàn)EtherCAT從站基本通信鏈路并驗證

在實現(xiàn)EBUS部分時，根據(jù)EBUS協(xié)議要求，需要實現(xiàn)曼徹斯特解碼和曼徹斯特波編碼。其中“0”用“01”表示，“1”用“10”表示。EBUS協(xié)議中分為idle標識符、開始幀標識符（SOF）、結(jié)束幀標識符（EOF）。Idle標識符為“0”，開始幀標識符為連續(xù)3個時鐘（200 MHz）連續(xù)的1，結(jié)束幀標識符為連續(xù)3個時鐘（200 MHz）連續(xù)的0。EBUS協(xié)議如圖3所示。

曼徹斯特編碼狀態(tài)機如圖4所示，曼徹斯特編碼的狀態(tài)機共分為8個狀態(tài)，分別為初始1狀態(tài)（IDLE_1C）、初始2狀態(tài)（IDLE_2C）、幀開始1狀態(tài)（SOFR_1C）、幀開始2狀態(tài)（SOFR_2C）、編碼1狀態(tài)（ENCO_1C）、編碼2狀態(tài)（ENCO_2C）、結(jié)束幀1狀態(tài)（EOFR_1C）、結(jié)束幀2狀態(tài)（EOFR_2C），處理時鐘為200 MHz。

各狀態(tài)說明如下：

IDLE_1C為初始1狀態(tài)，對應(yīng)發(fā)送EBUS協(xié)議的idle標識符，發(fā)送的數(shù)據(jù)為‘0’。下一時鐘即進入IDLE_2C狀態(tài)。

IDLE_2C為初始2狀態(tài)，對應(yīng)發(fā)送EBUS協(xié)議的idle標識符，發(fā)送的數(shù)據(jù)為‘1’。當發(fā)送數(shù)據(jù)有效時進入SOFR_1C狀態(tài)，否則進入IDLE_1C狀態(tài)。

SOFR_1C為幀開始1狀態(tài)，對應(yīng)的發(fā)送EBUS協(xié)議的開始幀標識符，下一時鐘進入SOFR_1C狀態(tài)。

SOFR_2C為幀開始2狀態(tài)，對應(yīng)的發(fā)送EBUS協(xié)議的開始幀標識符，下一時鐘進入ENCO_1C狀態(tài)。

ENCO_1C為編碼1狀態(tài)，對應(yīng)發(fā)送幀數(shù)據(jù)，下一時鐘進入ENCO_2C。

ENCO_2C為編碼2狀態(tài)，對應(yīng)發(fā)送幀數(shù)據(jù)，當發(fā)送數(shù)據(jù)無效時進入EOFR_1C狀態(tài)，否則進入ENCO_1C狀態(tài)。

EOFR_1C為結(jié)束幀1狀態(tài)，對應(yīng)發(fā)送幀結(jié)束標識符，下一時鐘進入ENCO_2C狀態(tài)。

EOFR_2C為結(jié)束幀2狀態(tài)，對應(yīng)發(fā)送幀結(jié)束標識符，此時一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，下一時鐘回到IDLE_1C狀態(tài)。

曼徹斯特解碼狀態(tài)機如圖5所示，曼徹斯特解碼的狀態(tài)機共分為5個狀態(tài)，分別為初始狀態(tài)（IDLE）、幀開始狀態(tài)（SOFR）、編碼1狀態(tài)（ENCO_1C）、編碼2狀態(tài)（ENCO_2C）、結(jié)束幀狀態(tài)（EOFR），處理時鐘為200 MHz。

各狀態(tài)說明如下：

IDLE為初始狀態(tài)，對應(yīng)接收EBUS協(xié)議的idle標識符，下一時鐘即進入SODR狀態(tài)。

SOFR為幀開始狀態(tài)，對應(yīng)的接收EBUS協(xié)議的開始幀標識符，當接收到連續(xù)3個‘1’即rx_sof_dv為1時，下一時鐘進入ENCO_1C狀態(tài)，否則進入IDLE狀態(tài)。

ENCO_1C為編碼1狀態(tài)，對應(yīng)接收幀數(shù)據(jù)，下一時鐘進入ENCO_2C。

ENCO_2C為編碼2狀態(tài)，對應(yīng)接收幀數(shù)據(jù)，當接收到連續(xù)3個‘0’時，進入EOFR狀態(tài)，否則進入ENCO_1C狀態(tài)。

EOFR_1C為結(jié)束幀狀態(tài)，此時已經(jīng)接收到完整的EtherCAT幀，下一時鐘進入IDLE狀態(tài)。

2.2 Auto-forwarder模塊

Auto-forwarder模塊是MII和EBUS模塊進入IPCORE的第一個處理模塊，主要實現(xiàn)MII/EBUS數(shù)據(jù)緩存、檢測幀導(dǎo)碼、錯誤檢測、將數(shù)據(jù)發(fā)送到自動回環(huán)（Loop-back function）和幀處理單元（EtherCAT Processing Unit）。Auto-forwarder模塊實現(xiàn)MII/EBUS數(shù)據(jù)緩存功能是將EtherCAT幀數(shù)據(jù)存到FIFO中，并經(jīng)過IPCORE處理時鐘（25 MHz）數(shù)據(jù)讀出，實現(xiàn)幀數(shù)據(jù)與IPCORE時鐘同步，再進入到下一模塊處理。檢測幀導(dǎo)碼是在數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)有效后，通過檢測幀導(dǎo)碼（0x55555555555555555D）,從而確定此幀為以太網(wǎng)幀。數(shù)據(jù)檢測主要檢測3種錯誤：物理層錯誤（RX錯誤）、數(shù)據(jù)幀錯誤、CRC錯誤。在數(shù)據(jù)經(jīng)過FIFO同步后，在以太網(wǎng)幀的條件下，進行CRC校驗，如果CRC校驗正確，把幀數(shù)據(jù)發(fā)送到自動回環(huán)或幀處理單元中；如果CRC校驗錯誤，將此幀丟棄。將數(shù)據(jù)發(fā)送到自動回環(huán)和幀處理單元是在CRC校驗正確和無其他錯誤的條件下，將幀數(shù)據(jù)發(fā)送到自動回環(huán)和幀處理單元中。Auto-forwarder模塊的狀態(tài)機如圖6所示。

Auto-forwarder模塊的狀態(tài)機共分為5個狀態(tài)，分別為初始狀態(tài)(IDLE)、檢測前導(dǎo)碼狀態(tài)(DETECT_PREAM)、檢測前導(dǎo)碼開始狀態(tài)(DETECT_START)、幀開始狀態(tài)(FRAME_START)、幀處理狀態(tài)(FRAME_PROC)。處理時鐘為25 MHz。各狀態(tài)說明如下：

IDLE為初始狀態(tài)，當沒有幀數(shù)據(jù)時，狀態(tài)處于IDLE狀態(tài)。當檢測到幀數(shù)據(jù)為5時，進入到DETECT_PREAM狀態(tài)。

DETECT_PREAM 為檢測前導(dǎo)碼狀態(tài)，幀接收幀導(dǎo)碼5，當檢測到D時，進入到DETECT_START狀態(tài)。

DETECT_START為檢測幀導(dǎo)碼開始狀態(tài)，在下一時鐘進入到FRAME_START狀態(tài)。

FRAME_START為幀開始狀態(tài)，開始接收幀數(shù)據(jù)，在下一時鐘進入到FRAME_PROC狀態(tài)。

FRAME_PROC為幀處理狀態(tài)，正式處理幀數(shù)據(jù)，當沒有幀數(shù)據(jù)時就進入IDLE狀態(tài)。

2.3 Loop-back function模塊