[发明专利]一种基于FPGA的工业以太网控制器

说明书

本发明涉及一种基于FPGA的工业以太网控制器，该控制器采用模块化设计，具体包括MRAM存储模块、SDRAM存储模块、FLASH存储模块、以太网接口模块、电流检测模块、语音模块和扩展接口模块。以Altera公司推出的Cyclone IV系列芯片EP4CE115F29C7作为核心器件，并通过片上资源分别与各个功能模块连接，实现工业以太网控制器的各项功能。

技术领域

本发明涉及轨道车辆通信网络领域，具体涉及一种基于FPGA的工业以太网控制器，实现使用FPGA硬件平台完成高速、可靠、稳定的数据传输系统。

背景技术

列车通信网络具有实时性高的特点，需要同时传递监控信息、过程信息以及海量的多媒体信息，这要求通信网络具有较高的带宽。随着列车通信网络技术的快速发展，传统TCN网络由于其低速率而难以满足现代列车实时控制和通信带宽的要求。

工业以太网由于数据传输速度快、带宽高、性能稳定，广泛运用于振动、高温、干扰、潮湿的列车通信网络运行环境，极大提高了车辆数据传输的可靠性与实时性，因此工业以太网应用到轨道列车通信网络上已成必然趋势。从国内外的研究来看，工业以太网协议还没有统一的标准，还处于发展完善中。针对工业通信环境还不统一，目前多数方法都是采用ASIC, ASSP和MCU来实现很不灵活，需要针对每一种协议改变硬件和相应的软件堆栈，或者需要开发多块电路板来支持;并且随着系统的升级，它们将不能满足处理能力、实时和扩展的需要。

FPGA具有灵活性好的特点，正好弥补以上不足。因此，采用基于FPGA的工业以太网控制器解决轨道列车复杂环境中网络通信是现在的热门研究内容。

MRAM是一种非易失性的磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种基于FPGA的工业以太网控制器。该控制器具有带宽高、数据传输速度快、性能稳定、灵活性好的特点，可以满足现代轨道列车通信网络高实时性、高可靠性、高灵活性的要求。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：模块化设计，包括MRAM存储模块、SDRAM存储模块、FLASH存储模块、以太网接口模块、电流检测模块、语音模块和扩展接口模块。以Altera公司推出的Cyclone IV系列芯片EP4CE115F29C7作为核心器件，并通过片上资源分别与各个功能模块连接，实现工业以太网控制器的各项功能。

所述的FPGA硬件平台芯片选用Altera公司的Cyclone IV系列芯片EP4CE115F29C7，其为Altera公司推出的60nm工艺产品，面向对成本敏感的大批量应用，以满足越来越大的带宽需求，同时降低了成本。该器件具有丰富的片上资源，包括114,480个逻辑单元，432M9K内存模块，3,888Kbits嵌入式存储器位，4个锁相环等。在FPGA基础上采用内嵌Nios II软核处理器，通过Avalon总线与外设相连，对存储器接口IP、网络传输芯片和其他外围端口IP进行控制，实现高速的数据传输。

所述的MRAM存储模块选用EVERSPIN公司型号为MR0A16AYS35的MRAM作为缓存存储器件，大小为16位64kb，读写周期为35ns。MRAM是一种非易失性的磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入，并可以在各种温度下提供高度可靠的数据存储，如商业温度（0至+70°C）、工业温度（-40至+85°C）、扩展温度（-40至+105°C）和汽车AEC-Q100 1级（-40至+125°C）温度范围，在此温度范围内可以保证至少20年数据不会丢失，主要用于高速的数据缓存使用。