基于PCIe级联网口的农业监测视频高速传输系统研究

农业监测智慧化需要实时、高效、可靠的视频数据处理和传输方案,为了解决传统基于CPU和GPU架构的系统速率低、实时性差的问题,设计了基于Zynq架构的PCIe级联网口的高速传输系统。针对PCIe接口开发,在硬件层面,优化配置XDMA IP核参数,完成接口的数据收发引擎设计,并基于MIG 7 IP核优化配置了DDR缓存区。在软件层面,基于PCIe驱动,调度VLC软件完成视频数据读取,实现板卡和上位机之间数据的快速收发和流畅播放。针对网口协议栈的实现,利用ARM可编程特性,调度LWIP轻量级协议栈,完成TCP协议的开发,实现了网口的数据快速收发,避免了上位机CPU直接处理网络协议的时延和运算开销。此外调度AXI协议完成PCIe接口和网口的高速连通。在Zynq MZ7030FA平台上传输视频文件对系统进行速率和可靠性实测。结果表明:网口传输速率达800 Mb/s,基本实现了千兆以太网;PCIe接口的最高传输速率达816 MB/s,逼近硬件PCIe 2.0 x2的最高速率,且整个系统在应用层上实现了可靠传输。本文的研究为农业监测视频传输应用提供了高效可靠的解决方案,且系统具有较好的扩展性和推广性。

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。

基于FPGA的智能在线升级存储系统设计

为解决工业测试领域中存储系统程序更新需频繁拆卸的问题且存在无上位机数据存储的特殊需求,提出基于FPGA的智能在线升级存储系统设计。系统以FPGA为主控,采用千兆以太网与FLASH组合方案,更新指令及配置文件通过千兆以太网下发到程序存储器,对SPI Flash进行分区擦除写入,从而实现FPGA程序的在线升级。同时,光耦指令解析模块使系统摆脱上位机依赖,能独立完成智能数据存储,此外,系统还集成自定义DR_UDP协议反馈可靠设计,优化了千兆以太网口的通信效率与稳定性。经功能验证分析,该系统运行稳定,灵活可靠,千兆以太网传输速率达700 Mb/s,且未发现数据丢失,可广泛应用于诸多不便拆卸的场景。

多源异构数据同步接收与可靠存储系统设计

针对传统工业数据存储器存储数据单一,实时性低以及安全性不高的问题,提出了基于FPGA的多源异构数据的同步接收与可靠存储系统设计方案。以FPGA为控制核心,以RS422总线为控制和实时监测接口,采用2块16 GB NAND Flash作为存储介质,以多级缓存的混合编帧方法实现2路千兆以太网数据以及1路RS485数据的同步接收处理,通过双Flash多平面并行存储的流水线设计方法实现数据的实时存储,采用汉明码对数据存储中可能存在的误码现象进行纠错,以千兆以太网接口进行数据回读。经高低温循环试验测试表明:系统存储容量为32 GB,存储速率可达568 Mbit/s,回读速率为353 Mbit/s,丢包率和误码率为0,具有数据处理快、可靠性高、性能稳定的优点。

基于FPGA的PAL图像数据解码与传输设计

为了满足地面监控设备将视频数据快速上传至存储设备的需求,解决图像传感器输出PAL制信号的模拟解码和数据传输的问题,设计了基于FPGA的PAL数据输入、网络接口输出的硬件模块。通过解码器将PAL模拟信号转换为并行数字信号,并在FPGA端将输入数据进行奇偶场数据缓存,通过乒乓操作实现隔行转逐行的视频输出。同时在FPGA内部采用调用MAC软核的方式在UDP协议上增加重传机制和异步FIFO,实现数据的网络传输。

以太网MAC控制器GMII和RGMII接口转换IP设计

阐述RGMII接口是简化的GMII接口,解决GMII接口信号线过多造成的布线复杂和功耗大的问题。首先研究IEEE802.3千兆以太网MAC控制器的GMII接口协议和RGMII接口规范,分析在千兆以太网MAC控制器中两种接口转换的实现方案,包括RGMII正常和延迟模式的实现方案。用Verilog HDL完成代码实现,通过NC-SIM仿真和Quartus-II实现后下载到FPGA板验证,表明功能正确。最后将实现的RGMII应用到某以太网交换芯片。在交换芯片的功能板上两PC机通过RGMII接口和Marvell 88E1145等器件实现数据正确传输。通过这些流程,形成标准接口转换IP,可直接应用于其他产品。

一种专用结构的无线系统硬件架构设计

基于对无线网络信号进行处理的特定需要,文中介绍了一种采用非标结构的无线系统硬件架构的设计方案,方案主要包括无线系统方框图介绍、系统内的主要数据流向、组成系统的各单板(控制和交换板、背板、电源板、风扇板)的硬件功能和实现方式、背板的布板考虑,介绍了系统运行过程并给出了流程图等。基于此方案研发的硬件系统架构已经完成初始样机调测,列出了调测结果,实际运行表明,该方案可靠,数据传输稳定,验证了方案的可实现性和实用性。

基于FPGA的多通道数据采集存储装置

航天探测过程中探测器上各负载的参数表现对探测器性能评估、结构优化具有重要的意义。为解决这一问题,本文以某一探测器验证要求针对多路信号进行同时处理的需求,利用高性能的A/D转换芯片设计了一种以现场可编程门阵列(FPGA)为核心的多通道、高速数据采集存储装置,实现对16路模拟信号的实时采集、转换、编帧和数据存储,以及对LVDS传输数据的接收。然后通过GPIO总线实时传送给系统流程控制单元,也可以存储到Flash存储器中,通过千兆以太网实现与上位机之间的通信和外部遥测。实验结果表明,经过数据对比,采集数据与数据源一致,无丢帧、无错码,数据采集存储符合技术要求,实现了预期功能。

基于多网融合的煤矿调度通信系统设计

针对煤矿井下信息化系统缺乏彼此协调运作能力,制约煤矿安全生产和经营效率的问题,基于以往的有线电话调度系统,增加了4G+5G无线通信技术,再通过井下万兆以太环网平台技术,对煤矿安全监控系统、井下人员定位系统、应急广播通信系统以及视频监控系统进行信息互享,决策优化,构建基于多网融合的煤矿调度通信系统,提高安全生产管理水平和效率,为煤矿的安全生产技术发展与产业化升级改造提供技术支撑。

基于千兆以太网的显示模组均匀性标定系统分析

阐述基于千兆以太网的显示模组均匀性标定系统。介绍一种显示面板均匀性标定的框架,提出FPGA千兆网络协议栈的框架及设计要点,以及设备IP地址的管理方案,以方便产品的生成及维护。

相切环网络在智能化地下矿山中的应用

以某铅锌矿为例,针对具有多个采掘中段同时作业或多个采区资源整合的地下开采矿山,对比了单环网络和相切双环网两种网络架构,结合后期多环网接入需求和网络稳定性保障需求,对双环网核心层进行了改进,提出了一种设置2台核心交换机、采用冗余配置方案的改进型相切双环网结构。对比发现,相较于传统的单环网络,相切环网络既能保证各类数据传输稳定性,又能满足网络延时时间短要求,且网络扩展性更好。将采用相切环网络构建的多路万兆级工业以太环网,作为整个智能化矿山数据传输的基础网络平台,能够承载井下各类电子信息系统业务,并配置工业网络管理平台,提高网络管理效率,降低运维成本。

基于千兆以太网的高速可靠数据传输系统

针对当前大容量存储数据传输系统速度慢、可靠性低的现状,设计了一种自定义FR_UDP协议,采用千兆以太网接口实现了一种高速可靠数据传输系统。整个系统以FPGA为控制核心,通过采用UDP协议实现数据高速传输,在UDP协议数据部分设计了反馈可靠协议,确保数据高速可靠传输。千兆以太网物理层接口电路选择88E1111实现,高速数据缓存在DDR3中,在数据丢失时可重新发送。某遥测数据记录器试验结果表明,该系统读取速度可达600 Mbit/s左右,且经过多次实验分析验证,传输过程未发现数据丢失现象,具有很高的使用价值。

基于FPGA的千兆以太网高速数据传输系统设计

随着导弹飞行器等设备的逐渐发展,对弹上数据采集设备的要求越来越高,数据传输应该更加快速高效,本设计采用FPGA+千兆以太网的数据传输方式,并且在数据传输过程中增加了数据重传机制,加快了数据传输速度,提高了传输效率,降低了数据远距离传输过程中容易出现的数据丢失和误码问题发生概率。试验在Xilinx公司的FPGA板卡上进行验证,证明FPGA+千兆以太网的数据传输是可行的,且数据传输速率更高,具有良好的可维护性和稳定性,能够在实际工程中应用。

基于FPGA的千兆以太网MAC控制器的设计

针对嵌入式设备对以太网接入的需求,提出一种基于FPGA的千兆以太网MAC控制器的硬件架构。通过FPGA编程实现IEEE 802.3规定的数据封装和介质访问控制等功能。设计了一种具备帧清除和重读功能的改进型异步FIFO,用于存储帧数据,既解决跨时钟域数据的同步问题,又方便进行发送时帧的重发和发送或接收时错误帧的丢弃。经过Modelsim仿真和FPGA硬件测试,MAC控制器的功能得到验证,且仅使用少量的逻辑资源。

基于FPGA的大数据缓存与高速传输系统设计

针对激光扫描共聚焦显微镜的数据高速传输需求,设计了一种基于DDR3和千兆以太网的大数据缓存与高速传输系统。该系统以Artix-7系列的FPGA芯片XC7A35T为主控芯片,基于Verilog语言在Xilinx FPGA的开发平台Vivado上设计了整个系统的控制方案;缓存模块采用Micron公司的DDR3芯片MT41J128M16HA,结合Xilinx提供的DDR控制器IP核与FIFO,对上游的大量数据进行高速缓存;同时采用Realtek公司的以太网芯片RTL8211实现了基于UDP、IP协议的以太网帧组包与解包,通过RJ45以太网接口以1000 Mbps的速率从上位机接收指令或发送数据。测试结果表明,该方案能将数据高速存储到DDR3中,并实时高效地传输到上位机中,实时传输速率达到118.75 Mbyte/s。在工作过程中,该系统稳定性高、误码率低,且电路集成度高、控制时序精确,非常适合作为激光扫描共聚焦成像设备的数据传输系统。

基于千兆以太网和LabVIEW的多通道数据采集系统

针对数据采集系统中千兆以太网通信程序开发难度高,以及基于现场可编程门阵列(FPGA)的控制板卡之间的通信问题,设计了一套以FPGA板卡和A/D采集卡为硬件平台、以Vivado和LabVIEW为软件平台的数据采集系统。FPGA板卡控制A/D采集卡并行采集模拟信号,将结果通过千兆以太网实时传输至上位机,千兆以太网的通信程序使用Socket CLIP技术封装的工具包进行开发。主从控制板卡之间使用改进型串行外设接口(SPI)通信进行传输,将传输的数据存储到FPGA板卡的安全数码(SD)卡中,并通过通用串行总线(USB)通信将数据导出,实现系统的在线与离线采集功能。结果表明:该系统通过千兆以太网通信实现了数据的实时显示,解决了控制板卡之间的通信问题,离线采集功能也较为可靠。

基于千兆以太网的高速智能存储系统设计

为了准确、完整地记录导弹在发射与飞行过程中的各种状态参数,并且对存储数据进行高速回收处理,设计了一种基于千兆以太网的高速智能存储系统。该系统以FPGA为控制中心,将PCM数据码流接收后经过编码解析存入Flash,最后通过千兆以太网、RS422多模式接口将数据快速回传至上位机显示。经试验验证,该智能存储系统具有传输速率高、抗干扰能力强、可靠性高等特点,能够满足弹载数据存储测试的要求,目前已成功应用于某弹射试验弹弹载数据测试中。

基于FPGA的千兆以太网传输系统设计和实现

针对物联网环境数据采集系统中大量数据回读的要求,笔者设计了基于FPGA的UDP协议千兆以太网数据传输系统。首先,详细介绍了UDP协议千兆以太网的设计方案,并且在FPGA中实现以太网的UDP协议功能;其次,在仿真软件上对该方案进行仿真验证;最后,在XILINX的FPGA板卡上对设计方案进行具体的功能验证。实验结果表明:基于UDP协议设计的以太网传输逻辑是正确的,传输速度非常高,可到910 Mbps,能够满足大部分物联网监测系统数据传输的要求,具有良好的可维护性、移植性和实际的推广价值。

基于ZYNQ的万兆以太网流信息统计架构

ZYNQ-Ultrascale+型器件是Xilinx公司推出的MPSoC(Multi-Processor System on Chip)架构器件,上面集成了多核Cortex-A53处理器以及Ultrscale系列的FPGA(Field-Programmable Gate Array)。对如今越来越复杂的网络环境以及越来越庞大的网络数据吞吐的管理问题进行了研究,采用了ZYNQ-Ultrascale+型器件作为核心处理器,提出了一种万兆以太网流信息统计架构。通过对以太网链路的数据包进行卸载,组合成流信息进行统计分析,将统计结果传输至主机,能够完成对万兆以太网的管理。将所述的架构应用于实际的万兆以太网监控系统中,支持TCP、UDP、ICMP、ARP等协议的统计,统计延时小于5μs,最高可支持3.2k条流数量。