一種醫療CT數據采集系統解決方案

　　對于FPGA底層，采用運輸層接入用戶(hù)數據，按照標準以太網(wǎng)形式將數據封裝成完整的UDP數據格式，向下再封裝成IP數據報形式：增加IP數據報的版本號，生存時(shí)間，原地址及目的地址等信息，向下再封裝成MAC數據幀，增加數據的MAC地址及CRC校驗等信息。在實(shí)現完整的四層以太網(wǎng)的過(guò)程中均采用HDL語(yǔ)言進(jìn)行描述，不調用IPCORE。

　　為了充分利用FPGA并行處理的優(yōu)勢，增加數據處理的速率，數據通常采用并行的方式進(jìn)行打包和編碼。但是光纖通信傳輸的是串行數據，一對，兩條，一收一發(fā)的方式。因此，借助于FPGA的ROCKET IO模塊，將并行的數據輸入到FPGA的GTP IP CORE將數據串行化及8B10B編碼等，GTP就相當于傳統意義的PHY，在內部完成了PCS(物理編碼子層)和PMA(物理媒介適配層)，從PHY出來(lái)的信號直連MDI接入現成的光模塊，光模塊經(jīng)過(guò)光電轉換將電信號轉換成光信號在鏈路中進(jìn)行傳輸。

　　4 IEEE802.3z光纖協(xié)議的實(shí)現

　　自協(xié)商協(xié)議：

　　由于在以太網(wǎng)通信過(guò)程中，有10M的、100M、1000M甚至10G的，為了支持多種不同標準的混合通信，IEEE802.3Z提出了一套自協(xié)商協(xié)議(Auto-nego),通信的雙方通過(guò)互發(fā)各自的通信能力信息，進(jìn)行協(xié)商，從而達到最佳的通信模式，且只有當自動(dòng)協(xié)商完成以后雙方才能進(jìn)行通信。自協(xié)商通常用于通信速率、流量控制，狀態(tài)等信息的交互，其基本單元為一個(gè)16bit的寄存器，通過(guò)配置這個(gè)寄存器達到協(xié)商的目的。如下圖所示：rsvd為保留位，默認為0，D5為全雙工標志位，D6為半雙工標志位，為1時(shí)有效D7和D8和流量控制相關(guān)，RF1、RF2表明通信雙方自協(xié)商的結果。D14為應答標志位，NP為下一頁(yè)標志位，通常用于協(xié)商更為具體的內容，在本數據采集系統中將其置為0(圖3)。

　　在本系統的設計過(guò)程中，由于數據量大，且連續，因此采用傳統的Annex31B標準進(jìn)行流量控制及重傳基本不可能，數據的可靠性只能靠系統的設計及鏈路的鏈接進(jìn)行加固，且用FPGA實(shí)現流量控制較復雜且需消耗大量的邏輯資源，因此我們不進(jìn)行流量的控制，數據直接編碼進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送。又由于上行數據量大，下行數據量較少，因此，上行鏈路采用UDP協(xié)議進(jìn)行以太網(wǎng)格式的傳送，下行鏈路直接用串口替代。這樣做還有一個(gè)好處就是將數據和指令進(jìn)行了完全的分離。具體實(shí)現過(guò)程如下：

　　本設計用6個(gè)狀態(tài)實(shí)現自動(dòng)協(xié)商的過(guò)程：IDLE，READY,CONF,ACK_CONF,SYNC,AUTO_OK;上電復位以后，FPGA進(jìn)入IDLE狀態(tài)，連續發(fā)送IDLE指令，使對端能正確識別FPGA的通信速率，當接收到3個(gè)以上的對方IDLE反饋以后，狀態(tài)機跳轉到READY狀態(tài)，發(fā)送配置準備狀態(tài)，表明FPGA方已準備進(jìn)行配置，在收到3個(gè)以上的PC反饋過(guò)來(lái)的配置準備狀態(tài)指令以后，提取對端的通信模式的信息，寫(xiě)入FPGA的寄存器，然后將其D14置1，作為反饋(FPGA的實(shí)際通信能力也許并不和對方對等，這樣設計簡(jiǎn)化了自動(dòng)協(xié)商的過(guò)程，消耗的邏輯資源更低)，表明FPGA和PC具有相同的通信能力，一直發(fā)送反饋，直到接收到PC反饋的具有3個(gè)連續相同的配置能力的配置指令的字符，則跳入到SYNC，發(fā)送到同步指令，如果收到對方的3個(gè)連續的SYNC指令表示自動(dòng)協(xié)商成功，否則協(xié)商失敗，重新跳入到IDLE進(jìn)行協(xié)商，當跳入到AUTO_OK狀態(tài)則可以進(jìn)行用戶(hù)數據的發(fā)送，如圖4為自動(dòng)協(xié)商的過(guò)程。