基于PON的光纤实时以太网硬件设计与实现

摘要

长期以来,工业控制领域内现场总线技术争论不休,难以形成统一的标准,互通与互操作问题难以解决,于是以太网开始进入工业控制领域。以太网用于工业控制领域的要解决的难题在于对于工业控制的实时性和时间的确定性。实时以太网(Real-time Ethernet, RTE)技出现,解决了这个问题,可以满足高实时性能应用的需要。本文从以太网的角度出发,将以太网无源光网络(Ethernet Passive Optical Network, EPON)技术与实时以太网技术融合起来,创新性地提出了一种基于点对多点无源光网络的实时以太网(Real-time Ethernet Passive Optical Network, REPON)概念。与现有的实时以太网的点对点链路连接相比,REPON网络采用点对多点的PON结构,有利于提高网络实时性。同时,利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)实现REPON相应节点的硬件设计,可以提高实时信号的处理能力。本文主要针对REPON的硬件系统做了相关的探索与研究,主要内容如下：1)设计了REPON网络总体架构,包括基于PON的网络结构、通信分层模型以及基于FPGA的硬件系统结构等。REPON由一个中心节点、多个接入节点以及光分配网络组成,每个接入节点都连接了若干用户业务子网,各个用户业务子网可通过REPON进行实时的数据交换。2)根据硬件系统结构,设计并实现了相应的中心节点和接入节点的硬件电路。具体的工作包括：按照节点的各个功能模块设计相应节点的硬件电路；通过原理图设计和电路图设计,实现了相应的中心节点和接入节点的硬件电路板；在课题组师兄实现的物理层模块基础上,增加突发接收和突发发送的控制机制,实现了REPON百兆物理层的硬件逻辑。3)利用已经实现的硬件电路,搭建一个支持CAN(Controller Area Network)总线业务的试验系统,以验证系统硬件的稳定性与可靠性。通过硬件基本功能测试、物理层功能仿真验证以及模拟业务试验,证实了REPON系统可以稳定且可靠的运行,且其物理层光纤链路上的收发误码率在10-9以下。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 工业控制网络发展历史

1.2 实时以太网技术现状

1.3 工业控制网络的实时性问题

1.3.1 工业控制网络的实时性要求

1.3.2 以太网的实时性问题

1.3.3 实时以太网与EPON 的结合

1.4 本文主要工作

2 REPON 网络总体架构设计

2.1 基于PON 的网络结构

2.2 REPON 网络分层模型

2.3 硬件系统结构与设计

2.3.1 硬件系统整体设计

2.3.2 中心节点硬件结构

2.3.3 接入节点硬件结构

2.4 本章小结

3 REPON 硬件电路系统设计与实现

3.1 中心节点硬件电路设计与实现

3.1.1 电源模块

3.1.2 FPGA 的外围电路

3.1.3 FPGA 的配置

3.1.4 OLT 光收发模块接口

3.2 接入节点硬件电路设计与实现

3.2.1 ONU 光收发模块接口

3.2.2 业务（CAN）收发模块

3.3 节点硬件的原理图设计和电路图设计

3.3.1 中心节点和接入节点的原理图设计

3.3.2 中心节点和接入节点的电路图设计

3.4 REPON 物理层硬件逻辑设计与实现

3.4.1 中心节点PHY 硬件逻辑的设计与实现

3.4.2 接入节点 PHY 硬件逻辑的设计与实现

3.5 本章小结

4 REPON 试验系统测试与验证

4.1 硬件电路测试及结果

4.2 REPON 试验系统测试

4.2.1 REPON 试验系统

4.2.2 系统仿真与测试结果

4.3 本章小结

5 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文及申请专利情况