基于FPGA的千兆以太网端口通信设计

针对嵌入式领域中以太网传输速率以及实时性问题,文中提出了一种基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的千兆以太网端口通信的设计方案。设计了千兆以太网交换机的转发功能,基于标签转发实现了端对端数据通信。CPU(Central Processing Unit)发出带有标签的数据报文,通过千兆网口输出数据报文,经过RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface)接口将带标签的数据报文发送给FPGA,FPGA通过内部逻辑判断标签中的输出端口号域并去除标签,从相应千兆网口向连接设备输出数据报文。外设通过千兆网端口输入数据报文,通过SGMII(Serial Gigabit Media Independent Interface)协议将数据报文发送给FPGA,FPGA通过内部逻辑添加标签并轮询输出给CPU,从而实现多个千兆网口连接设备互通。实验结果验证了FPGA逻辑的可行性和有效性,传输速率达到1 Gbit·s-1,报文转发延时小于100μs,报文丢包率为0%,数据传输稳定性较高,满足现有项目的实际需求。

面向载人月球探测的确定性以太网应用研究

确定性以太网(时间触发以太网和时间敏感网络)是在传统以太网上增加时间同步、时间感知整形等机制,能够提供高可靠低时延的确定性通信服务的技术。确定性以太网在航天器中的应用,可以解决现有总线难以满足未来空间系统架构开放性、数据处理实时性和数据传输可靠性等应用需求的问题。对确定性以太网技术产生的背景、技术原理和发展现状进行分析,提出一种“先融合后增强”的推进步骤,即由时间触发以太网和时间敏感网络融合的架构逐步过渡到完整的时间敏感网络架构,为我国未来航天器信息系统数据总线的设计和实现提供思路。

基于以太网技术的光电信号检测系统

针对光信号检测传输速率低、传输距离短及检测成本高等问题,结合EP4CE115F29C7N型芯片,设计基于以太网的光电信号检测系统。该系统将光电信号采集模块采集到的信号通过AD7606采样并进行预处理后存储到片外SDRAM,同时在UDP/IP协议基础上设计以太网通信模块,将数据通过数据包的方式发送到上位机,并基于LabVIEW设计光信号采集监控系统,实现对上传数据的滤波和实时检测。通过对比输入信号和LabVIEW监控系统显示信号的一致性,验证了系统的正确性。实验结果表明:该系统可以减少光检测信号远距离传输的数据损耗,提高光电信号的检测效率,有较好的实时性和可读性,且程序移植灵活,节约并缩短了光电检测成本和系统开发时间。

虚拟I/O模块在DCS以太网通信接口模块上的实现

为减少硬件模块的重复开发,在保留原DCS软硬件系统架构不变的基础上,在以太网通信接口模块硬件上虚拟不同的I/O模块。虚拟I/O模块与硬点I/O模块具有一致的输入、输出及参数属性,且组态方式和产物格式一致。同一以太网通信模块上可在不同的虚拟I/O槽位上配置不同的虚拟I/O模块,如Modbus TCP虚拟I/O模块和GOOSE虚拟I/O模块,进而在同一硬件实现不同的通信功能。虚拟I/O模块的使用一方面减少了DCS系统硬件模块的种类,简化备品备件,另一方面也提高了通信扩展的灵活性和便利性。

基于以太网和PLC的轴监控系统设计

为监控生产现场离散单机设备中各运动轴的运行情况,掌握设备运行时伺服轴的必要参数数据,实现对设备的高效及智能化管理与维护,设计构建了一种基于以太网及云平台的远程轴监控系统。系统由PLC和运动控制模块、工业交换机、触摸屏、上位机、云平台等构成;通过Modbus TCP协议建立上位机与设备的以太网通道,实现上位机PC端与手机端对设备轴的远程监控;采用SQLite数据库将轴数据保存,实现数据的分析和再利用。经实验系统实现了对设备运行的远程实时监控,系统运行稳定,可应用在智能制造的自动化装备和生产中。

100 Mbps以太网端口的电快速瞬变脉冲群抑制装置

为了解决智能网联产品以太网端口的通信性能在电快速瞬变脉冲群试验中出现的非预期降级问题,研制了一款用于100 Mbps以太网端口的瞬态脉冲抑制装置。该装置的应用解决了以太网端口在±4 kV的电快速瞬变脉冲群干扰试验中出现的连接中断问题,并将±4 kV的电快速瞬变脉冲群干扰电压抑制至38.8 V,且不会引起以太网链路通信性能的明显下降。该研究为智能网联产品以太网端口的电快速瞬变脉冲群敏感度的准确判定提供了理论和技术支撑。

城轨领域综合承载的列车以太网通信网络应用

本文介绍了常用交换式以太网环网与线性网拓扑的优缺点,并以实际应用项目为依托,介绍了列车通信网络承载信号系统通信网络的方案。该方案可以承载整车的通信网络,为智慧城轨列车通信综合承载提供了一种发展方向。

时间敏感以太网技术应用研究

随着车内网络对实时性和大容量数据传输的双重需求逐步增加,时间敏感以太网(TSN)成为以车载以太网为骨干网的电子电气架构中必不可少的技术。为了验证TSN协议对车载以太网的延时影响,通过对TSN主要协议族的技术特点和应用场景进行分析,使用RTaW软件建模,通过Zonal架构网络对4种不同情况的车载以太网流量进行仿真。结果表明,采用TSN协议的车载以太网在干扰流量占主要链路为80%带宽时,最差端到端时延约增加0.1 us,接近无干扰情况延时。仿真表明TSN对车载以太网传输队列延迟有可靠保证,TSN将在音视频传输、高等级自动驾驶、安全备份等方面发挥更大的作用。

关于征集《车载以太网高速连接器和电缆组件技术要求》团体标准参编单位的通知

各有关单位:近年来,车载以太网连接器和电缆组件技术快速发展,正推动产业迅速壮大。但万兆以太网连接器和电缆组件的测试要求仍处于空白。为满足国内主机企业的需求,推动国内车载高速网络与连接器标准的完善,与国际形成匹配。

基于车载以太网的HIL实时仿真测试平台的研究及应用

利用以太网配置工具生成同时支持CAN/CANFD通信和SOME/IP通信的Simulink模型服务接口,采用MATLAB软件创建HIL仿真模型,应用Python语言开发支持车载以太网DoIP诊断的上位机,并基于Dspace实时仿真平台搭建HIL实时仿真测试平台。结果表明:该平台可以模拟基本驾驶操作测试,同时支持CAN/CANFD通信和SOME/IP通信测试,并可以对车载以太网报文进行E2E校验;利用诊断上位机可以进行CAN/CANFD通信和DoIP通信的UDS诊断操作。

实时以太网与边缘智能融合控制器设计

为了减少数据通信链路并提高预警事件数据上报的实时性和事件侦测的及时性,将视频事件检测识别与实时以太网通信在边缘控制端直接联系并融合。设计的从站控制器将识别的数据、相似度分数与实时采集的数字量、模拟量数据组包发送给监控主站,主站通过预设控制逻辑与从站控制器进行数据互通,与逻辑联动实现对象的远程控制和管理。此外,通过光模块通信方式级联组网实现超远距离通信,降低了现场布线复杂度与布线成本。

军用千兆以太网交换芯片的设计与制造

基于以太网交换芯片作为网络核心器件广泛应用于通信领域设计实现了8端口管理型千兆以太网交换芯片。除了实现以太网数据帧交换外,还实现了端口使能、端口保护、链路聚合、端口镜像、速率控制、发送队列调度、缓存访问、软件全局复位等安全和可靠性功能。完成验证和版图设计后在国内65 nm工艺线上完成流片,在国内军封线上完成封装、测试和筛选等制造环节。国产网络设备测试表明:功能满足协议和设计要求,丢包率为0%,吞吐量与理论值一致。该芯片设计、工艺和关键原材料均实现国产化,可应用于船舶、武器装备、航空航天等领域。

基于动态密钥的车载以太网安全通信方法

针对车载以太网通信数据安全和密钥安全问题,创新设计了基于动态密钥的车载以太网安全通信方法.建立车载以太网安全威胁攻击树模型,分析其面临的安全威胁.构建应对安全威胁的车载以太网安全通信方法总体架构.设计动态密钥算法模型,生成隐式动态密钥.设计基于动态密钥的安全通信方法,将原始数据通过动态密钥加密传输,生成摘要并在接收端进行摘要对比处理.通过Linux上位机、I.MX6ULL单片机和Windows设备模拟域间通信及网络攻击过程,将密钥、密文、明文进行差异度对比,同时对通信过程进行攻击,借助Wireshark软件分析通信过程中的数据交互.结果表明:该方法能有效保证密钥安全及车载以太网数据的机密性、新鲜性、真实性和完整性,且能有效应对篡改攻击与重放攻击.

基于ZYNQ MPSOC的以太网PHY芯片功能测试方法

随着以太网技术和集成电路技术的发展,以太网物理层(Physical Layer,PHY)芯片的速率和性能都得到了极大提升,电路复杂度更是几何级增长,以至于常规的自动测试设备(Automatic Test Equipment,ATE)测试很难充分验证其功能,所以亟需开展相应测试方法研究。提出了一种高效的基于ZYNQ MPSOC的以太网PHY芯片功能测试方法。该方法以ZYNQ MPSOC为核心,设计了一种直达应用层面的系统级测试装置,从而减少了与物理层直接交互的行为,有效降低了测试装置及程序开发难度。经试验验证,提出的基于ZYNQ MPSOC的以太网PHY芯片功能测试方法能够用于以太网PHY芯片测试。

国产FPGA通用以太网控制器的设计与实现

目前由于国际芯片供应链的不稳定性,我国在FPGA领域面临着重要的工程应用替代挑战,尤其是在人防工程领域,大规模的工程项目急需国产FPGA技术来满足需求.因此,本文针对实时通信领域,特别是物联网网关的以太网控制器应用,进行了国产化替代的研究.首先,在中科亿海微国产FPGA上,设计了基于流水线处理的兼容ARP、UDP、IP、ICMP等多种协议的UDP协议栈以及基于真双端口RAM和异步FIFO的兼容三速以太网的处理模块,实现了三速以太网控制器在国产FPGA上的部署及应用.并且考虑到国产FPGA现有的IP库不全的因素,本设计只采用了常用的FIFO和RAM的IP进行设计,方便了后续移植到其他国产FPGA上的需求.最后,本设计对部分模块进行了仿真测试,仿真测试表明,该控制器可以实现UDP协议传输、主动ARP、被动ARP、ARP表查询、ping、多协议优先级仲裁等功能,足够满足物联网网关中以太网控制器的使用需求.

面向运动控制器的千兆以太网通信模块的设计与实现

针对传统通信方式无法满足运动控制器对传输速度和实时性要求的问题,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的千兆以太网实现方案。结合UDP/IP协议中数据帧的封装和解析过程,对MAC层、IP层以及UDP层进行一体化设计,开发了一款低成本的千兆以太网通信模块。经仿真和硬件测试,该模块的主频最高可达179.76 MHz,数据帧接收与发送之间的间隔仅为444 ns,且存储器资源使用量不到1%,满足千兆以太网的传输速率及实时性要求。除正常的以太网通信功能外,该模块还实现了数据帧的清除和重发功能以及对通信模块的IP和MAC地址进行动态配置,为实现运动控制器的以太网通信提供了低成本的解决方案。

高速串口以太网通信系统研究与设计

为了解决当前串口转以太网通信模块中传输速率慢、实时性差、实用性不高等问题,文中设计了一种高速实时以太网通信方案。该方案以FPGA作为驱动平台,结合以太网协议栈芯片CH395Q的特性优化了SPI通信协议,提高了数据传输速率;设计并实现了一种高速串行通信转低速串行通信的技术,极大地提高了数据传输的实时性。通过UDP数据组帧的形式进行网口数据收发,测试结果表明,该系统进行数据传输时SPI的实际传输速率能够达到15 Mbit/s,而且以太网通信的平均丢包率为0.085 2%。

基于以太网的多路数据采集及传输系统设计

针对军事装备领域多通道数据采集及传输的需求,设计了基于以太网实现的多路数据采集及传输系统。该系统以FPGA为主控,通过以太网传输协议完成了对32路模拟信号的数据采集及传输。实验结果表明,该系统以太网传输速率最高可达580 Mbps,多路模拟量数据采集最高误差为0.43%,满足采集精度优于1%的设计指标,现已经应用于某型号采编设备中。

基于ZYNQ的时间触发以太网系统设计

时间触发以太网(TTE)是一种基于标准以太网的实时网络通信技术,采用“时钟同步”和“时间触发”来确保关键数据的通信实时性和确定性,解决了标准以太网基于“事件触发”的通信方式无法保证通信确定性这一问题,通过冗余传输和故障检测、隔离机制来提升网络的可靠性,具有大带宽、强实时性、高可靠性和兼容标准以太网的技术特点,能够满足安全关键系统的强实时通信需求,本系统应用ZYNQ芯片实现了TTE网络协议,完成了数据采集、数据传输、数据判读等功能。测试展现了TTE技术的高可靠性和时效性,并展现出本系统的兼容性和多任务工况的应用拓展性。

用于400 Gb/s以太网PCS的递推RS编码电路

为了在400 Gb/s以太网物理编码子层(PCS)中实现高速纠错编码,设计了一种递推里德-所罗门(RS)编码电路。该电路通过组合递推因子、输入数据和寄存器数据,可以得到递推RS编码电路的结果。采用VCS+Verdi软件对传统RS编码电路、递推RS编码电路进行仿真,并使用Nangate 45 nm开源工艺进行综合测试。仿真与测试结果表明:相较于并行RS(544,514)编码电路,使用递推RS编码电路可以大幅度减少时间开销;32路递推RS(544,514)编码电路的面积降低了68%,功耗降低了60%。