基于FPGA技術(shù)的以太網(wǎng)物理層信號處理器的研究與開發(fā).pdf

1、作為信息技術(shù)的基礎(chǔ)--計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng)和遠(yuǎn)程網(wǎng))是當(dāng)今世界上最為活躍的技術(shù)因素之一。七十年代中后期出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)(LocalAreaNetwork，簡稱LAN)，在八、九十年代獲得了飛速發(fā)展和大范圍的普及。目前LAN技術(shù)是在各行各業(yè)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是工業(yè)控制領(lǐng)域。而現(xiàn)在國內(nèi)外機(jī)構(gòu)和各大廠商正在積極地將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，從而產(chǎn)生了一種在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度和適用性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場需求

2、的以太網(wǎng)技術(shù)——工業(yè)以太網(wǎng)。 在工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的過程中，作者所在的實(shí)驗(yàn)室—工業(yè)控制技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了大量的研究和開發(fā)工作，并起草了我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)：用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA通信標(biāo)準(zhǔn)(簡稱EPA標(biāo)準(zhǔn))。EPA通信標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目組正在為早日使EPA標(biāo)準(zhǔn)成為國際上主流的工業(yè)以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)而努力。 本研究與開發(fā)項(xiàng)目作為EPA科研項(xiàng)目的子項(xiàng)目，關(guān)注EPA通信標(biāo)準(zhǔn)的物理層，以10BaseT以太網(wǎng)為模

3、型，對于其信號傳輸機(jī)理和級聯(lián)原則進(jìn)行研究，期望能拓展EPA網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離和級聯(lián)級數(shù)。5-4-3原則是被廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)布線原則，由于其易操作性和可靠性使其在網(wǎng)絡(luò)布線方面發(fā)揮了極大的作用。而本論文首先從802.3標(biāo)準(zhǔn)對于網(wǎng)絡(luò)可靠信號傳輸?shù)囊蟪霭l(fā)，分析了5-4-3布線原則的理論依據(jù)，指出了對于其理解上的一些常見誤區(qū)，并提出了精確布線的計(jì)算公式。同時(shí)，針對10BaseT網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)802.3標(biāo)準(zhǔn)對于傳輸延時(shí)和幀間距縮短量的的要求，經(jīng)過計(jì)算證實(shí)

4、在10BaseT網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)級數(shù)可以達(dá)到五級，傳輸距離可以達(dá)到600m，從理論上最大化了傳輸距離。 本文同時(shí)根據(jù)上面的研究結(jié)果有針對性地開發(fā)了10M以太網(wǎng)信號處理器，希望進(jìn)一步降低處理器的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)和傳輸幀間距縮短量，從而進(jìn)一步拓展傳輸距離。在整個(gè)開發(fā)工作之初，本文研究了以太網(wǎng)，尤其是10BaseT以太網(wǎng)信號傳輸?shù)幕靖拍?。通過這些研究工作，本文對于整個(gè)開發(fā)工作的目的和難題有了一個(gè)更明確的了解，并形成了一個(gè)可行性方案。本文采用了當(dāng)今廣

5、泛運(yùn)用的FPGA硬件設(shè)計(jì)技術(shù)，并且應(yīng)用了自上而下的模塊化設(shè)計(jì)思路。同時(shí)在FPGA芯片上成功實(shí)現(xiàn)了Manchester編碼的編解碼算法和循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)算法，其硬件算法邏輯可以應(yīng)用到EPA專用芯片，以解決EPA協(xié)議芯片的物理層通訊問題，同時(shí)10M以太網(wǎng)信號處理器已經(jīng)成功申請專利，其研究成果得到了保護(hù)。目前10M以太網(wǎng)信號處理器已經(jīng)完成初步調(diào)試工作，并對10M以太網(wǎng)的信號傳輸進(jìn)行了測試，結(jié)果表明開發(fā)的以太網(wǎng)信號處理器基本符合10Bas

6、eT要求，傳輸誤碼率低于0.1％，其Manchester編解碼算法和CRC校驗(yàn)算法也得到了初步應(yīng)用。 與此同時(shí)，本文還對于總線供電技術(shù)進(jìn)行了研究和開發(fā)。該技術(shù)利用傳輸以太網(wǎng)信號的普通10BaseT網(wǎng)線，同時(shí)傳輸電力能源，大大降低了現(xiàn)場布線的工作量。作者通過對于802.3af標(biāo)準(zhǔn)的研究，進(jìn)一步了解總線供電的工作機(jī)理和限制，并應(yīng)用總線供電技術(shù)開發(fā)了具有總線供電功能的以太網(wǎng)中繼器。該成果也申請了專利，以尋求法律的保護(hù)。在該項(xiàng)研究的基礎(chǔ)