数据采集系统广泛地应用于工业控制等诸多领域,随着精细化、智能化、多路采集的待测设备和场景越来越多,对采集传输系统的能力提出了越来越高的要求。传统的货架数据采集系统很难满足特定的需求,而非标准产品的采集系统有很强的针对性,且价格昂贵、结构复杂,难以适用于普遍的采集应用场景。因此,实现一个具备高性能、高灵活性和低成本的数据采集系统,是当前社会、工业发展的迫切需求。随着集成电路与信息科学技术的快速发展,为数据采集系统的高性能、集成化设计提供了新思路。借助网络卸载引擎思想,基于FPGA实现TCP/IP协议栈的逻辑设计,实现一种具备高传输速率、高可靠性、灵活性和低成本的以太网传输链路。旨在研究基于硬件可编程器件实现软件协议硬件化的实施方案,为分布式数据采集领域的高速数据卸载和传输链路加速提供一种可行性方案。本文首先结合数据采集系统和TCP/IP协议的功能特点,提出TCP/IP协议族裁剪方案,只保留保证数据高速传输和可靠性的必要协议。采用分层处理、模块化的设计方法,按照“接收解析-数据处理-组帧发送”的顺序,实现了以太网TCP/IP协议通信的基本功能。在此基础上,深入研究TCP关键技术,在FPGA中采用标准算法实现超时与重传;基于RAM设计TCP发送窗口;基于拥塞窗口包计数改进拥塞控制算法,让其在硬件逻辑处理和批量数据高速传输的过程中具备更高的调控效率。除此之外,提出请求应答队列管理机制、校验和预计算算法、CRC32超前计算算法,提高网络数据的卸载和封装速率。其次,基于真实的以太网通信数据编写测试激励源,建立全面的仿真。结合仿真波形详细分析了TCP/IP协议栈的设计细节和功能实现,保证设计在逻辑上的正确性,为实际的测试和应用提供了大量的实例。最后,搭建千兆以太网实物平台,测试结果表明,TCP/IP硬件协议栈的ARP应答,ICMP回显应答,UDP数据接收与发送,TCP服务器的连接建立、数据通信、连接终止、超时重传与恢复等功能均正确实现。针对TCP高速传输性能进行测试,结果表明,在容量为千兆的通用以太网信道中,可达到63%的网络使用率;在TCP传输稳定阶段,可达300Mbit/s速率,性能稳定。本设计相比于传统的和基于ASIC芯片的实现方式,在传输处理速度、灵活性、普适性和成本方面具备很好的优势,适用于广泛的数据采集传输系统,具有良好的实际应用价值。