基于FPGA技术的以太网物理层信号处理器的研究与开发

摘要

作为信息技术的基础--计算机网络(局域网和远程网)是当今世界上最为活跃的技术因素之一。七十年代中后期出现的计算机局域网(LocalAreaNetwork，简称LAN)，在八、九十年代获得了飞速发展和大范围的普及。目前LAN技术是在各行各业已经得到了广泛应用，尤其是工业控制领域。而现在国内外机构和各大厂商正在积极地将以太网技术应用于工业现场，从而产生了一种在技术上与商用以太网兼容，但在材质的选用、产品的强度和适用性等方面能满足工业现场需求的以太网技术——工业以太网。 在工业以太网关键技术攻关的过程中，作者所在的实验室—工业控制技术国家重点实验室承担了大量的研究和开发工作，并起草了我国拥有自主知识产权的工业以太网标准：用于工业测量与控制系统的EPA通信标准(简称EPA标准)。EPA通信标准项目组正在为早日使EPA标准成为国际上主流的工业以太网通信标准而努力。 本研究与开发项目作为EPA科研项目的子项目，关注EPA通信标准的物理层，以10BaseT以太网为模型，对于其信号传输机理和级联原则进行研究，期望能拓展EPA网络的传输距离和级联级数。5-4-3原则是被广泛应用的以太网布线原则，由于其易操作性和可靠性使其在网络布线方面发挥了极大的作用。而本论文首先从802.3标准对于网络可靠信号传输的要求出发，分析了5-4-3布线原则的理论依据，指出了对于其理解上的一些常见误区，并提出了精确布线的计算公式。同时，针对10BaseT网络，根据802.3标准对于传输延时和帧间距缩短量的的要求，经过计算证实在10BaseT网络级联级数可以达到五级，传输距离可以达到600m，从理论上最大化了传输距离。 本文同时根据上面的研究结果有针对性地开发了10M以太网信号处理器，希望进一步降低处理器的转发延时和传输帧间距缩短量，从而进一步拓展传输距离。在整个开发工作之初，本文研究了以太网，尤其是10BaseT以太网信号传输的基本概念。通过这些研究工作，本文对于整个开发工作的目的和难题有了一个更明确的了解，并形成了一个可行性方案。本文采用了当今广泛运用的FPGA硬件设计技术，并且应用了自上而下的模块化设计思路。同时在FPGA芯片上成功实现了Manchester编码的编解码算法和循环冗余校验(CRC)算法，其硬件算法逻辑可以应用到EPA专用芯片，以解决EPA协议芯片的物理层通讯问题，同时10M以太网信号处理器已经成功申请专利，其研究成果得到了保护。目前10M以太网信号处理器已经完成初步调试工作，并对10M以太网的信号传输进行了测试，结果表明开发的以太网信号处理器基本符合10BaseT要求，传输误码率低于0.1％，其Manchester编解码算法和CRC校验算法也得到了初步应用。 与此同时，本文还对于总线供电技术进行了研究和开发。该技术利用传输以太网信号的普通10BaseT网线，同时传输电力能源，大大降低了现场布线的工作量。作者通过对于802.3af标准的研究，进一步了解总线供电的工作机理和限制，并应用总线供电技术开发了具有总线供电功能的以太网中继器。该成果也申请了专利，以寻求法律的保护。在该项研究的基础上，以太网物理层信号处理器完全可以与总线供电技术相结合，将两项世界先进的技术有机的融合在一起，这也是下一步研究开发工作的重点。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1课题的研究背景

1.1.1现场总线技术的发展

1.1.2工业以太网技术的应用与研究

1.1.3 EPA分布式网络控制系统简介

1.2本课题研究的研究目标

1.3本论文的任务和结构

1.3.1任务一——以太网信号传输机理与级联级数的研究

1.3.2任务二——以太网物理层信号处理器设计

第二章10M以太网传输与延时机理

2.1 10M以太网传输机制

2.1.1背景知识

2.1.2 5-4-3原则

2.1.3 CSMA/CD(载波监听多路存取和冲突检测)

2.2 5-4-3原理的理论依据和数值分析

2.3 5-4-3原则在10M以太网中的应用

2.4研究结论及本章小结

第三章10M以太网信号处理器的开发

3.1 10M以太网信号处理器的介绍

3.1.1对于5-4-3原则的突破

3.1.2解决EPA物理层信号传输问题

3.2 10M以太网通讯基础知识

3.2.1数据传输速率

3.2.2信道容量

3.2.3误码率

3.3以太网的信号编码

3.3.1非零(NZR NoreturnToZero)编码

3.3.2曼彻斯特(Manchester)编码

3.3.3差分曼彻斯特(Differential Manchester)编码

3.4开发的技术—FpGA技术

3.5开发的语言—Verilog硬件开发语言

3.5.1硬件开发语言

3.5.2 Verilog硬件开发语言

3.6信号处理器的Top-Down设计思路

3.7信号处理器的模块化设计

3.7.1处理器功能分布

3.7.2处理器模块介绍

1.8编解码算法及其硬件实现

3.8.1解码算法及其硬件实现：

3.8.2编码算法及其硬件算法

3.9 CRC-32算法及其硬件实现

3.10其他功能模块

3.10.1控制模块

3.10.2 FIFO

3.11信号处理器功能仿真与测试

3.12开发设计体会与本章小结

第四章总线供电的研究与开发

4.1 PoE以太网供电系统介绍

4.2 PoE以太网供电的优点

4.3 PoE以太网供电方式

4.4以太网供电工作过程

4.5以太网供电技术在EPA设备中的应用

4.6本章小结

第五章工作总结与展望

5.1课题研究总结

5.2进一步研究方向

参考文献

致谢

作者攻读硕士期间发表的论文和科研