现阶段，随着电子技术的飞速发展，直接数字频率合成（DDS）技术以其频率转换速度快、分辨率高、相位可控等优点被广泛用于任意波形发生系统当中，例如通讯系统、雷达及电子对抗系统等。而作为当今最受欢迎的局域网之一的以太网，现已成为社会重要的基础信息设施，是远程网络化控制的理想媒介。将两者结合起来正是本系统设计的主要内容。下面详细介绍基于以太网的信号发生与采集控制系统的方案。
1 系统平台
　　系统在实现信号发生器的功能的同时要与上位机" title="上位机">上位机通过以太网交换数据，因而系统的难点一是以太网的通讯，二是可任意调整的信号发生，即要能实现波形频率的任意改变。
　　目前以太网通讯的方案比较多，可以选用专用的以太网接口模块，也可以移植协议栈或者自己编写协议栈，还可以嵌入带有以太网接口的操作系统来完成通讯，例如μClinux、DSP/BIOS操作系统等。由于项目本身对成本的要求，故采用在软件上实现TCP/IP的方案。由于TCP/IP协议比较复杂，在缺乏功能强大的操作系统支持的嵌入式设备上实现并非易事，对于特定的应用，嵌入式设备往往只需要TCP/IP协议中某一小部分即可，故考虑移植现有的开放源代码的轻量级TCP/IP协议栈。目前这类协议栈有很多种，例如TinyTCP、uip、 LwIP等，其中，前两个协议栈的设计目标是降低TCP/IP代码的尺寸和内存的消耗，同时也简化了TCP/IP协议栈，比较适合对通讯协议要求不高且控制系统核心为单片机的场合。LwIP协议栈资源需求比较多，但功能相对齐全，并提供一套非常完善的内存管理方法，很适合32位控制系统。目前随着具有32位CPU的ARM的广泛使用，其价格也低廉很多，且集成了丰富的外围模块，故本系统选择ARM移植LwIP实现以太网通讯。
　　可调信号的产生也有多种方案，比较常见的是使用DDS的方法实现。DDS技术已被广泛地用于任意信号发生系统当中。目前市面上有很多DDS专用芯片，但价格都比较昂贵且可扩展性不高，故系统选用性价比很高的FPGA来实现，这样可以灵活地产生系统所需的控制信号，并提供了很大的扩展空间。系统在FPGA内部专门开启了一个RAM用于存储系统所需信号的周期性数据，用户可根据要求存入数据并可实时地更改包括信号频率、幅值和相位等的参数。
　　因此，系统平台选用基于ARM和FPGA两个处理器来设计。其中，ARM作为整个系统的主控单元完成与以太网的通讯、控制系统的信号发生、输入信号的采集、液晶显示和键盘扫描以及数据存储等功能。FPGA主要完成对ARM输入的控制信号进行DDS转换，完成DDS的核心部分并输出可控的信号波形。
2 硬件电路设计
　　ARM采用三星公司的S3C44B0X，该芯片内部集成了ARM7TDMI核，具有71个通用可编程I/O口，8个外部中断源，可直接外接SDRAM扩大系统内存，内部具有日历功能的RTC（实时时钟）等模块。以太网接口芯片选用集成MAC层和PHY层的RTL8019AS。FPGA采用Altera公司Cyclone系列的EP1C3TT144C8，此芯片有近3000个逻辑单元，13个M4K RAM块，共59 904bits RAM可供使用。本系统中采用144管脚的TQFP封装的芯片，共有104个用户可用I/O口，在FPGA器件中是一款性价比很高的芯片。由于FPGA内部有较大的RAM空间，故可根据系统DDS要求的分辨率开设相应空间的RAM空间作为DDS的周期数据存储器。FPGA配置芯片选用Altera公司的EPC2，系统可采用JTAG模式烧写FPGA和EPC2,上电后FPGA采用PS模式从EPC2导入程序。D/A" title="D/A">D/A转换器选择Maxim公司的MAX5856A，它是具有双通道、8bits分辨率、200MSps采样率的高速D/A转换器，实际测试可以满足系统的要求。滤波部分采用的是一个两阶巴特沃兹低通滤波电路。为提高系统的人性化控制，系统加入了液晶显示和键盘控制，方便用户使用。SDRAM用于扩充ARM内存以供网络协议栈。Flash用于存储ARM的程序，NFlash存储一些系统固化的信息，同时可存储系统运行过程中所采集的数据和通过以太网收到的数据。系统固化的常用波形数据可脱离上位机独立工作，增加了系统的应用场合。系统的硬件原理图如图1所示。

3 软件设计
　　系统的软件主要包括在ARM上实现TCP/IP协议和与上位机通讯，液晶显示与数据存储，控制FPGA按照要求工作。在FPGA实现DDS的软件部分，用Verilog语言编写。其中，ARM的主要工作是移植轻量级的TCP/IP协议栈LwIP完成以太网通讯。
　　LwIP是瑞士计算机科学院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。LwIP既可以移植到操作系统上,又可以在无操作系统的情况下独立运行。LwIP TCP/IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般它需要10KB的RAM和40KB左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈可以在低端嵌入式系统中使用。
　　LwIP的特性如下：支持多网络接口下的IP转发，支持ICMP协议，包括实验性扩展的UDP（用户数据报协议）、阻塞控制、RTT估算、快速恢复和快速转发的TCP，提供专门的内部回调接口（Raw API）用于提高应用程序性能，可选择Berkeley接口API（多线程情况下），在最新的版本中支持ppp，新版本中增加了IP fragment的支持，支持DHCP协议、动态分配IP地址等。
　　由于系统所要传输的数据量并不大，对速度要求也不高，但对系统传输的稳定性有很高的要求，所以采用TCP/IP协议栈的TCP协议建立可靠链接来保证数据的稳定性。
　　软件设计的主要工作集中于以太网驱动程序的编写和LwIP的移植以及TCP协议处理后的数据处理。系统底层的驱动由自己编写，主要是控制RTL8019AS的收发数据控制。系统接收以太网数据采用查询的方式，若RTL8019AS的缓存中收到数据则对数据进行处理。先将此次收到的数据全部读入系统的内存中，将其转换为LwIP标准数据包格式之后移交给LwIP协议栈处理。在系统建立Pbuf Pool结构链，用来存储接收数据包，为每个以太网链接建立一个netif以完成以太网的通讯。系统调试时借助于Spynet软件对网络通讯过程中的数据进行抓包，使调试更加便捷。图2描述了系统对收到的以太网数据包处理的简略的流程图。其中，TCP部分比较复杂，通讯之前需与上位机进行三次握手之后才能正确地建立链接。详细部分可查阅标准的TCP/IP协议栈说明书。