基于FPGA技術的以太網物理層信號處理器的研究與開發(fā).pdf

1、作為信息技術的基礎--計算機網絡(局域網和遠程網)是當今世界上最為活躍的技術因素之一。七十年代中后期出現(xiàn)的計算機局域網(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技術是在各行各業(yè)已經得到了廣泛應用，尤其是工業(yè)控制領域。而現(xiàn)在國內外機構和各大廠商正在積極地將以太網技術應用于工業(yè)現(xiàn)場，從而產生了一種在技術上與商用以太網兼容，但在材質的選用、產品的強度和適用性等方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場需求

2、的以太網技術——工業(yè)以太網。 在工業(yè)以太網關鍵技術攻關的過程中，作者所在的實驗室—工業(yè)控制技術國家重點實驗室承擔了大量的研究和開發(fā)工作，并起草了我國擁有自主知識產權的工業(yè)以太網標準：用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA通信標準(簡稱EPA標準)。EPA通信標準項目組正在為早日使EPA標準成為國際上主流的工業(yè)以太網通信標準而努力。 本研究與開發(fā)項目作為EPA科研項目的子項目，關注EPA通信標準的物理層，以10BaseT以太網為模

3、型，對于其信號傳輸機理和級聯(lián)原則進行研究，期望能拓展EPA網絡的傳輸距離和級聯(lián)級數。5-4-3原則是被廣泛應用的以太網布線原則，由于其易操作性和可靠性使其在網絡布線方面發(fā)揮了極大的作用。而本論文首先從802.3標準對于網絡可靠信號傳輸的要求出發(fā)，分析了5-4-3布線原則的理論依據，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算公式。同時，針對10BaseT網絡，根據802.3標準對于傳輸延時和幀間距縮短量的的要求，經過計算證實

4、在10BaseT網絡級聯(lián)級數可以達到五級，傳輸距離可以達到600m，從理論上最大化了傳輸距離。 本文同時根據上面的研究結果有針對性地開發(fā)了10M以太網信號處理器，希望進一步降低處理器的轉發(fā)延時和傳輸幀間距縮短量，從而進一步拓展傳輸距離。在整個開發(fā)工作之初，本文研究了以太網，尤其是10BaseT以太網信號傳輸的基本概念。通過這些研究工作，本文對于整個開發(fā)工作的目的和難題有了一個更明確的了解，并形成了一個可行性方案。本文采用了當今廣

5、泛運用的FPGA硬件設計技術，并且應用了自上而下的模塊化設計思路。同時在FPGA芯片上成功實現(xiàn)了Manchester編碼的編解碼算法和循環(huán)冗余校驗(CRC)算法，其硬件算法邏輯可以應用到EPA專用芯片，以解決EPA協(xié)議芯片的物理層通訊問題，同時10M以太網信號處理器已經成功申請專利，其研究成果得到了保護。目前10M以太網信號處理器已經完成初步調試工作，并對10M以太網的信號傳輸進行了測試，結果表明開發(fā)的以太網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校驗算法也得到了初步應用。 與此同時，本文還對于總線供電技術進行了研究和開發(fā)。該技術利用傳輸以太網信號的普通10BaseT網線，同時傳輸電力能源，大大降低了現(xiàn)場布線的工作量。作者通過對于802.3af標準的研究，進一步了解總線供電的工作機理和限制，并應用總線供電技術開發(fā)了具有總線供電功能的以太網中繼器。該成果也申請了專利，以尋求法律的保護。在該項研究的基礎