基于SOPC的千兆以太网数据传输设计

在高速信息系统中。FPGA能高速地处理数据。千兆以太网能高速地向远程传输数据,可是FPGA与干兆以太网的连接却存在着很多问题。为使FPGA能直接接入千兆以太网。以便进行高速数据传输.本文以Xilinx公司的Virtex-5 FX30T为例。采用SOPC接术,使用FPGA系统无缝连接千兆以太网.取得了高速的传输速率。此外。该设计的数据接口灵活可变.能满足多种应用需求。

日经验童速日

［７］欧阳华兵。徐温干．ＬａｂＶ／ＥＷ与ｃ语育的接口技术及其应用

［Ｊ］．仪器仪表用户，２００４，１２（６）：Ｐ７５－７７．

作者简介．Ｔｌｔｇ｛１９６９－）．男。副教授。博士．研究方向：机电、测控。

（２００８Ｋ０５７）。武汉市教育局（２００３Ｘ００８）收稿日期：２００９－１１－２２

邀登邀麦旦座

基金项目：湖北省自然科学基金ｆ２００７ＡＢＡ３０２）。武汉市科技攻关项目

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１ １０４１．２０１０．０３．０３３

基于ＳＯＰＣ的千兆以太网数据传输设计

张文沛ｈ２，彭先蓉１。徐勇１ ２

（１．中国科学院光电技术研究所，成都６１０２０９；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９）

摘要：在高速信息系统中。ＦＰＧＡ能高速地处理数据。千兆以太网能高速地向远程传输数据，可是ＦＰＧＡ与干兆以太网的连接却存在着很多问题。为使ＦＰＧＡ能直接接入千兆以太网。以便进行高速数据传输．

飞速发展‘“。使用ＳＯＰＣ结构来构造ＦＰＧＡ与千兆以太网的连接具有广阔的应用前景。本文以Ⅺｌｉ慨公司的￥ＯＰＣ架构为例，在ＦＰＧＡ内部实现千兆以太网ＭＡＣ，实验得到了高速的传输速率。

本文以Ⅻｉ艇公司的Ｖｉｒｔｅｘ－５Ｆ鄹０Ｔ为例。采用ＳＯＰＣ接术，使用ＦＰ－

ＧＡ系统无缝连接千兆以太网．取得了高速的传输速率。此外。该设计的数据接口灵活可变．能满足多种应用需求。关键词：ＳＯＰＣ；千兆以太网：ＭＡＣ；ＴＣＰ／ＩＰ中图分类号：ＴＰ３９１

１千兆以太网总体设计

本文采有Ｘｉｌｉｎｘ公司Ｖｉｒｔｅｘ－５ＦＸ３０Ｔ的ＦＰＧＡ为核心器件，以基于Ｐｏｗｅｒ４４０为处理器ＣｏｒｅＣｏｎｎｅｃｔＢｕｓ为总线的ＳＯＰＣ架构下设计高速率的千兆以太网传输系统。设计的结构框图如图ｌ所示。

Ｄｅｓ咖ｄａｔａ

文献标识码：Ｂ

ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｗｉｔｈｇｉｇａｂｉｔ

Ｏｉｌ

ｅｔｈｅｒｎｅｔｂａｓｅｄＳＯＰＣ

ＺＨＡＮＧＷｅｎ－ｐｅｉ‘”，ＰＥＮＧＸｉａｎ－ｔｏｎｇ。。ＸＵＹｏｎｇｈ。（１．ＩｍｌｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙ

ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ。Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０２０９，Ｃｈｉｎａ；２．ＧｒａｄｕａｔｅＳｃｈｏｏｌｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆ

Ｓｃｉｅｎｃｅｓ。Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３９。Ｃｈｉｎａ）

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ｐｒｏｐｏｓｅｄｄａｔａｓｔｒｅａｍｍａｎｙｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ．

ｊｎｔｅｒｆａｃａｉｓｆｌｅｘｉｂｌｅ

图１千兆网络数据备份的框圈

在系统中，要传输的数据从框图左边的ＦＩＦＯ接口输入，暂时存入ＤＤＲ２中，达到一定的数据量后，向ＰＰＣ４４０发送中断信号，ＰＰＣ４４０收到中断申请后通过ＤＭＡ通道将数据从千兆以太网将数据送出。远程主机可以通过网络向ＰＰＣ４４０发送命令，ＰＰＣ４４０根据命令控制数据传输。ＮＯＲＦＬＡｓＨ是存储器。

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＯＰＣ；ｇｉｇａｂｎＥｔｈｅｍｅｔ；ＭＡＣ；ＴＣＰ／ｌＰ

０引言

随着科技的发展与集成电路工艺的提高，ＦＰＧＡ以其高速的处理能力，不仅在通信、雷达、图形图像处理领域有着广泛的应用，而且在汽车电子、消费电子等领域的应用也越来越普遍。如果ＦＰＧＡ处理后的数据要保存到远程主机上，如何高效速地连接远程主机是一个非常重要的课题。千兆以太网技术是近年来发展起来的高速传输技术，具有传输速度快、距离远、向下兼容１０Ｍ／１００Ｍ以太网等特性…，并且接口普及、成本低、可以很容易的集成于各种系统。因此，研究基于ＦＰＧＡ的千兆以太网接口技术具有重要意义。

当在ＦＰＧＡ接入以太网技术中，一种利用外接一块以太网络芯片（如韩国ＷＩＺｎｅｔ公司的Ｗ５１００、Ｗ３１００一山等），以ＦＩＦＯ接口实现百兆以太网，但这种方式的传输速率不高，很难满足高速数据传速。另一种是外挂～个处理器为核心的千兆以太网系统，可以提供多种接口，但系统庞大，不利于小型化，而且成本较高。

ＳＯＰＣ（Ｓｙｓｔｅｍ

ＯｎＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ

２系统的结构细节

２．１

Ｘｉｌｉｎｘ公司ＳＯＰＣ解决方案简介

Ｘｉｌｉｎｘ公司提供了完备的ＳＯＰＣ解决方案，提供３２位软核

ＭｉｃｒｏＢｌａｚｅ和ＩＢＭ公司研发的硬核ＰｏｗｅｒＰＣ，采用ＩＢＭ公司研发的ＣｏｒｅＣｏｎｎｅｅｔＢｕｓ作为ＳＯＰＣ的总路架构。总线接口方面提供了ＩＰＩＦ作为解决方案，大大简化开发人员的工作。在ＥＤＫ开发包中，提供了丰富的ＩＰ核供开发者选择，如浮点处理单元等‘５｜。

２．２

Ｖｉｒｔｅｘ－５Ｖｉｒｔｅｘ－５

ＦＸ３０Ｔ简介

ＦＡＴ器件是Ｅｘｉｌｉｎｇ于２００８年４月推出的６５ｎｍ

的高性能ＦＰＧＡ。Ｖｉｒｔｅｘ－５ＦＸ３０Ｔ器件，提供超过３２，０００个逻辑单元，４个千兆位以太网介质存取控制（ＭＡＣ）地址；还提供１个１１００ＭＩＰＳ＠５５０ＭＨｚＰｏｗｅｒＰＣ４４０处理器模块和６４个ＤＳＰ４８Ｅ逻辑片；包含８个ＲｏｃｋｅｔｅｄＧＴＸ低功耗收发器，每个最高线速度可达６．５Ｇｂｐｓ。

２．３

Ｃｈｉｐ）即可编程片上系统，

以ＦＰＧＡ为载体能快速地架构造出一个面向应用的完整系统，缩短了开发周期，降低了开发难度与开发成本，在近几年取得

６６日Ｃ

ＭＰＭＣ的结构介绍与控制

欢迎光临本干Ｕ网站ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｉｃ．ｃｏｍ．ｃｎ

万方数据

Ｖ０１．１７２０１０Ｎｏ．３

在高速信息系统中。FPGA能高速地处理数据。千兆以太网能高速地向远程传输数据,可是FPGA与干兆以太网的连接却存在着很多问题。为使FPGA能直接接入千兆以太网。以便进行高速数据传输.本文以Xilinx公司的Virtex-5 FX30T为例。采用SOPC接术,使用FPGA系统无缝连接千兆以太网.取得了高速的传输速率。此外。该设计的数据接口灵活可变.能满足多种应用需求。

仪器仪表用户

本文采用ＭＰＩＶＩＣ（Ｍｕｌｔｉ．Ｐｏｒｔ

Ｍｅｍｏｒｙ

Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）作为Ｉ）ＤＲ２

的控制器。ＭＰｌＶＩＣ是支持双沿数据传输模式（ＤＤＲ／ＤＤＲ２／ＤＤＲ３／ＬＰＤＤＲ）和单沿数据传输模式（ＳＤＲ）的参数化内存控制器。它提供了ｌ－８个端口来存取内存，每个端臼都能选择一系列连接个性接口模块（ＰＩｌＶｌｓ），包含ＰＰＣ４４０ＭＣ、ＰＬＢ、ＮＰＩ、ＸＣＬ、ＳＤＭＡ、ＭＣＢ和ＶＦＢＣ接口。本系统将Ｉ、，ＩＰＭＣ配置为两端口模式。一个端口是ＰＰＣ４４０１ＶＩＣ，用于和ＰＰＣ４４０的接口；另一个端口为ＮＰＩ接口，数据宽度为６４位，用于要发送数据的输入ＤＤＲ２作为缓存。将ＩＶＩＰＭＣ的仲裁方式配置为ＦＩＸＥＤ模式，以便逻辑的优化，减少资源消耗，并可以获得更好的时序特性。ＮＰＩ接口有如下特点：

１）允许扩展ＭＰＭＰ的接口能力，以便适应自定义接口；２）内存接口时序简单，可以适应各种协议；

３）对内存接口的读写，提供了地址，数据与控制信号；４）内部有缓冲ＦＩＦＯ，可以同时进行读写；５）可以配置为３２位或６４位接口。

本文使用ＮＰＩ接口可以适应多种接口与多种协议。ＤＤＲ２工作在２００ＹｌＩ－Ｉｚ，数据宽度为３２位，双沿数据传输速度可达１２．８Ｇｂｐｓ。而ＮＰＩ接口工作在２００ＭＨｚ，６４位数据宽度，数据传输速度也可达１２．８Ｇｂｐｓ。虽然接口时序的限制，不可能有这么高的速度，但是这样的速度完全可以满足吉比特数据传输。

２．４

ｘｐｓ—Ｉ！ｔｅｍａｃ的简介与配置

本文在千兆以太嘲接口部分，以Ｘｉｌｉｎｘ公司为嵌入式应用开发提供的ＥＤＫ工具包中的ｘｐｓ—Ｕ—ｔｅｍａｃ核为核心。ｘｐｓ—Ｕ—ｔｅｍａｃ是基于ＰＬＢ总线控制，而在传输与接收数据通过ＸｉｌｉｎｘＬｏｃａｌＬｉｎｋ总线完成的高效千兆以太网ＭＡＣ核。它同时兼容１０Ｍ和１００Ｍ网ＭＡＣ，支持Ｇ１ＶＩＩＩ，１ＶＩＩＩ，ＲＧｌＶｌＩＩ，ＳＧＭＩＩ和１０００Ｂａｓｅ．Ｘ接口；可以独立配置接收与发送ＦＩＦＯ为２ｋ，４ｋ，８ｋ或３２ｋ；可以过滤“坏”的接收帧；媒体独立接口来管理ＰＨＹ寄存器；支持全双工通讯。本设计使用ＧＭＩＩ接口，ＰＨＹ选用ＤＰ８３８６５芯片。接口如图２所示。

ＰＨＹ

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图２千兆以太网接口硬件连接电路示意图

配置ｘｐｓ＿ｌｌ—ｔｅｍａｃ核时，把接收与发送ＦＩＦＯ容量增加，可以提高数据的传输阻塞；开启接收与发送硬件校验，可有效地提高传输速度。本系统由于使用ＦＰＧＡ逻辑资源丰富，所以将接收与发送ＦＩＦＯ都设为１６３８４Ｂｙｔｅ，同时开启了发送与接收硬件校验。

２．５数据输入接口

设计的数据输入接口采用自定义的ＩＰ核完成。对外采用ＦＩＦＯ接口，ＦＩＦＯ大小为４ｋＢ，用于数据的缓存。在ＦＰＧＡ内部，数据使用ＮＰＩ接口连接ＩＶＩＰＭＣ将数据送入ＤＤＢ２进行缓存一。。用ＰＬＢ总线接ＰＰＣＡ４０，ＰＰＣ４４０可以通过寄存器控制数据的传输与停止，并且可以通过软件来控制每一包数据的大小。

３软件设计

在网络通信软件设计上，本文采用标准的Ｓｏｃｋｅｔ方式编欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息

万方数据

口经验交流口

程。在ＴＣＷＩＰ协议的实现上，对比了两种实现方式的传输效

果。一种是ＬｗＩＰ，另一种是Ｌｉｎｕｘ的ＴｃＰ／ＩＰ协议栈。

３．１

ＬｗｌＰ

ＬｗＩＰ是瑞士计算机科学院（ＳｗｅｄｉｓｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ

Ｓｃｉｅｎｃｅ）的ＡｄａｍＤｕｎｋｅｌｓ等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码ＴｃＰ／ＩＰ协议栈。ＬｗＩＰ的含义是ＬｉｇｈｔＷｅｉｇｈｔ（轻型）ＩＰ协议。ＬｗＩＰ可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。Ｘｉｌｉ眦提供了ＬｗｌＰ的解决方案，在ＳＤＫ集成工具开发中包含了ＬＭＰ１．３．０的源码与库，可以通过工具直接生成针对ｘｐｓ一１１一ｔｌｅｍａｃ的驱动，支持ｘｐｓ一１１一ｔｅｍｌｌｃ的硬件检验功能，具有使用简单，代码少，运行方便的特点。

３．２

Ｌｉｎｕｕ‘的ＴＣＰ／口

众所周知，Ｌｉｎｕｘ在开源操作系统中，表现出众，应用广泛。

Ｌｉｎｕｘ将系统设备分为三种基本类型：字符设备，块设备与网络设备驱动。在网络设计驱动中，Ｌｉｎｕｘ集成了完整的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，包括ＩＰＶ４与ＩＰｖ６，使用方便，性能优越＂。。Ⅺｌｉ腿公司针对其ＳＯＰＣ提供了完整的Ｌｉｎｕｘ解决方案。可以网上获得官方的Ｌｉｎｕｘ源码，该源码支持Ｘｉｌｉｍ的ｓ０Ｐｃ架构，Ｘ１）ｓ＿ｌｌ＿ｔｅｍａｅ千兆以太网ＭＡＣ核的驱动。Ｌｉｎｕｘ操作系统集成的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈比较成熟，数据传输高效稳定。

４实验结果与分析

为了测试千兆以太网的性能，本文采用Ｖｉｒｔｅｘ－５ＦＸ３０Ｔ与ＰＣ机通信的方式对干兆以太网的通信速率进行测试。ＰＣ机的硬件平台为Ｉｎｔｅｌ奔腾３．０ＣＩ－ＩｚＣＰＵ，２Ｇ内存，Ｂｍａｄｃｏｍ

ＮｅｔＸｔｒｅｍｅＧｉｇａｂｉｔ

Ｅｔｈｅｍｅｔ网卡，ＴＣＰ／ＩＰ最大传输单元大小为

１５００。测试方法为Ｖｉｒｔｅｘ－５ＦＸ３０Ｔ向ＰＣ机发送４Ｇ字节的测试数据。测试结果如表１所示。

表ｌ千兆以太网直接向主机发送数据实验结果＂１１２Ｐ／ＩＰ实现方式

传输速度

ＬＷＩＰ

２１０ＭｂｐｓＬｉｎｕｘ

４１０Ｍｂｌ”

向自定义ＦＩＦＯ接口不断写入数据，写入数据率为８００Ｍｂｐｓ，ＦＩＦＯ满后等待。Ｖｉｒｔｅｘ－５ＦＸ３０Ｔ不断将ＦＩＦＯ送来的数据通过千兆网络发送给ＰＣ机。测试结果如表２所示。

表２千兆以太网传输系统实验结果ＴＣＰ／ＩＰ实现方式

传输速度

ＬＷｌＰ１４０Ｍｂｌ”Ｕｎｕｘ

２６６Ｍｂ芦

采用Ｗ５１００使ＦＰＧＡ接人以太网络方案时，峰值速度只

有８０Ｍｂｐｓ，而实际传输速度也有４０Ｍｂｐｓ左右。

５结论

本文采用ＸｉｌｉｍＦＸ３０Ｔ实现了千兆以太网接口，实验表明基于ＳＯＰＣ的千兆以太网能有效高速地满足数据传输要求。本文的设计提供了灵活可变的数据通路，通过简单修改自定义ＦＩＦＯ接口就能满足多种场合的需求。本文的设计在Ｖｉｒｔｅｘ－

５

ＦＸ３０Ｔ－６６５中实现的资源利用率为４２％，剩余的资源可以用

于其它功能模块的设计。本文介绍的设计已成功应用于项目，取得了良好的效果。这种设计方式不仅可用于Ｖｉｒｔｅｘ－５ＦＸ３０Ｔ

的ＳＯＰＣ系统，Ｖｉｒｔｅｘ－５与Ｖｉｒｔｅｘ－４系列的ＦＰＧＡ都适用，只是

接口稍有改变。口

参考文献

［１］ＩＥＥＥ８０２．３－２００５．ＣａｒｒｉｅｒＳｅｉｎｅＭｕｌｔｉｐｌｅ

Ａｃｃｅｓｓ

ＷｉｔｈＣｏｌｌｉｓｉｏｎ

Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ（ＣＳＭＡ／ＣＩ））ＡｃｃｅｓｓＭｅ吐１０ｄａｎｄＰｈｙｓｉｃａｌＬａｙｅｒＳｐｅｅ－

ｉｔｌｃａｔｉｏｍ［Ｓ］．

ＥＩＣ

Ｖ０１．１７

２０１０

Ｎｏ．３

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在高速信息系统中。FPGA能高速地处理数据。千兆以太网能高速地向远程传输数据,可是FPGA与干兆以太网的连接却存在着很多问题。为使FPGA能直接接入千兆以太网。以便进行高速数据传输.本文以Xilinx公司的Virtex-5 FX30T为例。采用SOPC接术,使用FPGA系统无缝连接千兆以太网.取得了高速的传输速率。此外。该设计的数据接口灵活可变.能满足多种应用需求。

口经验交流口

［２］Ｖｆ［ＺｎｅｔＩｎｃ．Ｗ３１００Ｄａｔａ

Ｓｈｅｅｔ［ｚ］删．ｗｉｚｎｅｔ．ｎｅｔ．

１０４．１３２．

［３］张军．基于ＦＰＧＡ的通用网络化雷达监控系统的设计与实现

［Ｄ］．合肥：合肥工业大学，２００９．

［７］ＳｒｅｅｋｒｉｓｈｎａｎＶｅｎｋａｔｅｓｗａｒａｎ．Ｅｓｓｅｎｔｉａｌ

ＬｉｆｌＵＸ

ＤｅｖｉｃｅＤｒｉｖｅｒｓ

［Ｍ］．ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ：ＰｒｅｎｔｉｃｅＨａｌｌ，２００８：４４０－４６１．

作者简介：张文沛（１９８６ ）。男．硕士研究生．主要从事高速实时信号处理的研究；彭先蓉。女．研究员级高级工程师，主要从事实时图像处理研究；徐勇．男．博士研究生，主要从事图像压缩研究。基金项目：国防创新基金资助项目（Ｎｏ．ＣＸＪＪ－２５９）收稿日期：２００９ １２－１３

［４］董代洁，郭怀理，曹春雨．基于ＦＰＧＡ的可编程ＳｏＣ设计［Ｍ］．

北京：北京航窄航天大学出版社。２００６：ｌ－１７．

［５］薛小刚，葛毅敏．ＸｉｌｉｎｘＩＳＥ９．ｘＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ设计指南［Ｍ］．

北京：人民邮电出版社，２００７：３０３－３３７．

［６］叶肇晋，张稀楠，马磊．基于ＸＩＬＩＮＸＦＰＧＡ片上嵌入式系统

的用户口开发［Ｍ］．西安：西安电子科大学出版社，２００８：

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓａｎ．１６７１—１０４１．２０１０．０３．０３４

Ｌｉ／Ｍｎ０２扣式电池自动生产线控制系统设计及改进

宫威目厣％

（天津工业大学电气工程及自动化学院。天津３００１６０）

摘要：随着Ｌｉ／ＭｎＯ：扣式电池在各个行业产品中的广泛应用．与其相

对应的电池生产设备的发展显得尤为重要。本文以提高生产线的生产率为线索。在Ｌｉ／Ｍｎ０２扣式电池生产线原有设备的基础上。对生产线的结构、控制两个方面进行优化、改进。

关键词：Ｌｉ／Ｍｎ０２扣式电池：自动生产线；ＰＬＣ；生产率

中图分类号：ｎ｜２７３文献标识码：Ｂ

ＡｕｔｏｍａｔｉｃｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅｓｏｆＬｉ／Ｍｎ０２ｂｕｔｔｏｎ

ｂａｔｔｅｒｉｅｓｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ

ＧＯＮＧＷｅｉ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｍｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ。Ｔｍｎｊｉｎ

Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ

图１控制系统框图

在ＰＬＣ控制系统中，主要的检测元件有对射光电开关、漫反射光电开关、接近开关、磁性开关、压力传感器、行程开关等；执行部件主要有电机、气缸、振动料斗、海霸泵、冲床、声光报警器以及状态显示灯等。１．１上位机与ＰＬＣ的通信

ＣＱＭｌＨ型ＰＬＣ通过串口与上位机相连，实现通信。上位机与ＰＬＣ按照ＲＳ２３２Ｃ标准串行通讯协议相连。其通信方式如图２所示ｐｏ。

Ｕｎｉｖｅｒｅｉｔｙ．Ｔ酬ｉｎ３００１６０。Ｃｈｉｎａ）

Ｏｆｔ

ｔｏ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｉｔｈｔｈｅｗｉｄｅｔｙａｐｐＵｃａｔｉｏｎｏｆＵ／Ｍｎ０，ｂｕｔｔｏｎｂａｋｅｒｉｅｓ

ｅａｃｈｉｎｄｕｓｔｒｙｐｒｏｄｕｃｔ。ａｎａｌｏｇＯＵＳｐｏｒｔａｎｔｔｈａｔ

ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ

ｉｔ。ｉｔｓｅｅｍｓｔｏｂｅｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙＩｍ。

ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｂａＲｅｎｅｓ．ｔａｋｉｎｇ

ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ

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Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ。ｔｈｅ

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ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆｌｉｎｅｏｆｔｗｏａｓｐｅｃｔｓａｓ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｎｔｒ０１．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｉ／Ｍｎ０２ｂｕｔｔｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓ；ａｕｔｏｍａｔｉｃｌｉｎｅ；ＰＬＣ；ｐｒｏｄｕｃ－

伽ｉｌｙ

围２上位机与ＰＬＣ通信方式

１．２系统硬件组成

０引言

Ｌｉ／ＭｎＯ：（锂．二氧化锰）电池是一种以锂为阳极、以二氧化锰为阴极，并采用有机电解液的一次性电池ｏＩ－２Ｊ。Ｌｉ／ＭｎＯ：扣式电池在各个行业产品中广泛使用，提高其生产率愈显重要。在原有生产线上可以考虑在生产线控制系统方面进行优化，以进一步提高其生产效率。故采用ＰＬＣ作为生产线的主控制系统，能满足生产的需要，对Ｌｉ／ＭｎＯ：生产线的结构控制方面进行改善，以提高Ｌｉ／ＭｎＯ：扣式电池自动生产线的生产率。引。

１

１）输入输出点计算

根据控制系统的功能要求，结合各检测元件及执行元件的选型种类，对ＰＬＣ的输入输出点进行计算，合计系统输入点６２个，输出晶体管２６个，继电器１１个。

２）ＰＬＣ系统配置①可编程控制器

由于所需的点数接近１００点，经综合技术分析选用欧姆龙公司的ＣＱＭＩＨ—ＣＰＵＳＩ型可编程控制器。ＣＱＭＩＨ．ＣＰＵ５１型可编程控制器特性：交流２２０Ｖ电源供电；７．２ｋ程序存储器容量，６ｋ数据存储器容量；有１６点内置输入（Ｉｎ０…Ｉｎｌ５），分别对应ＣＰＵ单元的ＩＲ０００００ ＩＲ０００１５；可扩展ｌｌ块Ｉ／Ｏ板。

②Ｉ／０扩展输入输出模块

Ｉ／Ｏ扩展模块有直流电源和交流电源之分，由于所有传感器均用直流，因此选用ＤＣ模块。该模块又根据连接方法不同分为端子板连接和连接器连接两种，考虑到接线方便，选用端子板连接型。ＶＯ扩展输入模块选用ＣＱＭｌ一ＩＤ２１２型。它的参数特性：２４ＶＤＣ供电，１６点输入，一个公共回路。不包括主机自带的１６点输入，还需３块这样的输入模块（（６２—１６）／１６＝

２．８７５）。

ＰＬＣ控制系统设计及改进

ＰＬＣ具有控制精度高、操作方便、通用性好、可靠性高等优

点，能适应工业现场的恶劣环境，所以采用ＰＬＣ作为生产线的主控制系统，能满足生产的需要。根据锂锰扣式电池生产线的具体情况，选用日本Ｏｍｒｏｎ公司的可编程控制器和扩展模块作为生产线的核心控制部分；采用ＰＷＳ系列触摸屏（台达电子）、触摸屏和ＰＬＣ之间通过Ｒ５－２３２Ｃ进行通讯。触摸屏用于按键输入、参数设置、监控画面显示以及故障原因显示等功能一。。锂锰扣式电池生产线控制系统框图如图ｌ所示。

６８

万方数据

ＥＩＣＶ０１．１７２０１０Ｎｏ．３

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在高速信息系统中。FPGA能高速地处理数据。千兆以太网能高速地向远程传输数据,可是FPGA与干兆以太网的连接却存在着很多问题。为使FPGA能直接接入千兆以太网。以便进行高速数据传输.本文以Xilinx公司的Virtex-5 FX30T为例。采用SOPC接术,使用FPGA系统无缝连接千兆以太网.取得了高速的传输速率。此外。该设计的数据接口灵活可变.能满足多种应用需求。

基于SOPC的千兆以太网数据传输设计

作者：作者单位：

张文沛， 彭先蓉， 徐勇， ZHANG Wen-pei， PENG Xian-rong， XU Yong

张文沛,徐勇,ZHANG Wen-pei,XU Yong(中国科学院,光电技术研究所,成都,610209;中国科学院,研究生院,北京100039)， 彭先蓉,PENG Xian-rong(中国科学院,光电技术研究所,成都,610209)

仪器仪表用户

INSTRUMENTATION CUSTOMER2010，17(3)0次

刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

参考文献(7条)

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6.叶肇晋.张稀楠.马磊 基于XILINX FPGA片上嵌入式系统的用户IP开发 20087.Sreekrishnan Venkateswaran Essential Linux Device Drivers 2008

相似文献(10条)

1.期刊论文 张骋.蔡慧.蔡惠智.ZHANG Cheng.CAI Hui.CAI Hui-zhi 基于SOPC的千兆以太网接入设计 -微电子学与计算机2009,26(2)

为了使处理系统的数据高速接入以太网,在FPGA中设计了实现高速互连的SOPC系统.嵌入式处理器PowerPC405e中运行VxWorks操作系统,协同逻辑阵列完成了与处理系统的无缝连接以及千兆以太网.通过对NAS网络存储系统的数据存储和回放,验证了SOPC系统的灵活性和高效率.

2.期刊论文 赵研.屈超.岳新宇.ZHAO Yan.QU Chao.YUE Xin-yu 千兆以太网SOPC系统的实现 -无线电工程2006,36(12)

网络正在成为当今社会通用通信的骨干力量,现代化的设备迫切需要解决如何简洁高速的接入问题.涉及了基于FPGA的嵌入式技术.简要介绍了使用Xilinx的EDK和ISE等工具的设计流程和设计实现支持TCP/IP协议的10M/100M/1000M以太网SOPC系统的工程实例,并对涉及的关键技术进行了说明,列出了实物系统的指标测试结果.

3.学位论文 陈亮 基于SOPC的千兆以太网适配器的设计与实现 2008

将千兆以太网技术应用在对象存储系统，能提供高速、廉价、可扩展的网络互联。采用可编程片上系统SOPC（System On Programmable Chip）的方法实现千兆以太网适配器能有效发挥SOPC 在软硬件定制及系统扩展方面的优势，满足对象存储系统的需求。

详细分析了千兆以太网IEEE802.3z协议，研究了千兆以太网适配器的系统架构和工作原理，提出了在现场可编程逻辑门阵列FPGA（FieldProgrammable Gate Array）芯片上采用可编程片上系统SOPC 方法实现千兆以太网适配器的设计方案。设计并完成了千兆以太网媒体访问控制GEMAC（Gigabit Ethernet Media Access Control）接口逻辑。

GEMAC 接口逻辑的设计采用Verilog HDL 硬件描述语言完成，实现了MAC 层的所有功能，支持标准的1.25Gbps的千兆以太网应用，可用于点对点拓扑和交换拓扑，实现串行高速比特流的收发；MAC 层完成以太网帧的收发和全双工流量控制，帧发送引擎将上层交付的数据组装成标准的以太网帧格式发送出去，帧接收引擎处理帧接收过程中出现的帧目的地址错误、帧校验错误等各种情况；流量控制模块通过Pause 帧的识别与控制，完成端到端的流量控制。通过Avalon总线接口，将GEMAC接口逻辑与聚合/分散DMA（Scatter-Gather DMA，SGDMA）模块配合，高效读写DDR 存储器。

在设计过程中，从资源和时序的角度，对硬件描述语言编码、逻辑综合、布局布线、时序约束作了一些优化，达到提高系统性能的目的。同时，构建了一个系统级的测试平台，完成了千兆以太网适配器的功能验证和性能评估。

4.学位论文 张钦 网络存储高速通道的SoPC研究 2007

存储信息是人类社会广泛而永恒的需求,当前尤为迫切.基于科学探索、国家安全、文档管理的重大需求,高性能的海量数据网络存储系统必将得到发展.这种高性能的系统很难使用单一节点,单一通道实现,因此以高速通道为基础的、用网络连接的分布式存储体系结构将成为主流方案.研究互联网存储系统高速访问通道的原理与方法已成为热点.基于片上可编程系统(System on a Programmable Chip,SoPC)的解决方案,兼有片上系统(System on a

Chip,SoC)和可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)的优势,既具有SoC的高集成度和高性能,又具有PLD的低成本和灵活性,成为网络存储高速通道系统研究的重要方向.软硬件协同设计(Hardware-Software Co-design)为其核心技术之一,动态部分可重构(Dynamic PartialReconfiguration,DPR)是研究热点.

本文围绕网络存储高速通道的应用,提出了一种可重构的异构网络网关阵列结构RGAMF(Reconfigurable Gateway Array of Multiple Fabrics).从RGAMF-SoPC系统级设计、RGAMF-SoPC硬件软件子系统设计、RGAMF-DPR研究、RGAMF-SI分析等不同层次上的设计方法对RGAMF高速通道进行了深入地探讨、研究和实现,并成功搭建了一个网络存储高速通道的原型系统,为项目的进一步研究以及存储系统性能优化打下了很好的基础.

可重构的异构网络网关阵列RGAMF作为网络存储访问的高速通道.RGAMF高速通道由多个网关构成.多个RGAMF网关之间通过IB网络和Rocket I/O高速串行接口进行级联扩展,不仅保证了聚合带宽随着系统规模的扩展而线性增长,而且多个RGAMF网关之间形成了冗余阵列,使系统具有了高效、灵活、可靠和易扩展的特点.

设计并实现了一种高性能的片内多总线RGAMF-SoPC架构,该架构各部件设计均衡,有效使用逻辑资源,能很好的满足网络存储系统对RGAMF高速通道的要求.RGAMF-SoPC架构设计支持以太/IP网在IB网上的链路聚合,保障了异构网络之间高效率的无缝连接.在带宽上,充分利用IB网络的高带宽特性达到多条

在高速信息系统中。FPGA能高速地处理数据。千兆以太网能高速地向远程传输数据,可是FPGA与干兆以太网的连接却存在着很多问题。为使FPGA能直接接入千兆以太网。以便进行高速数据传输.本文以Xilinx公司的Virtex-5 FX30T为例。采用SOPC接术,使用FPGA系统无缝连接千兆以太网.取得了高速的传输速率。此外。该设计的数据接口灵活可变.能满足多种应用需求。

千兆以太网链路的聚合;在延迟上,基于硬件实现的数据流快速转发机制使得网关的延迟大大的降低.RGAMF-SoPC架构提供了对于网关阵列中多网关协同工作的很好支持.RGAMF-SoPC架构分为硬件子系统和软件子系统两部分设计实现.

RGAMF-DPR研究使传统意义上硬件和软件的界限变得模糊,让硬件系统软件化.本文详细分析了DPR技术在RGAMF系统中的应用,使RGAMF高速通道系统兼具了灵活、硬件资源可复用、易于升级等特点.RGAMF-SI分析详细研究了影响板级速度的信号完整性问题,为RGAMF高速通道提供了很好的板级支持. 在上述成果基础上,本文用FPGA实现了一种RGAMF-SoPC原型.该原型较好地完成了RGAMF高速通道对于协议转换、带宽聚合和灵活性的要求.基于RGAMF-SoPC原型,本文搭建了一种网络存储高速通道的原型系统,系统由多台IB服务器交换互联而成,通过多个RGAMF-SoPC原型构成的网关阵列与以太/IP用户和IP存储实现了通讯.验证了研究成果的有效性.

5.学位论文 司锋 基于SOC的高可靠千兆以太网的设计 2007

随着微电子技术的发展，系统的集成度越来越高，将整个系统集成到单个芯片上成为可能，SOC技术逐渐成为ASIC设计领域的最新发展趋势。SOC技术带来了计算机行业的一场革命，同样也给空间电子系统领域带来了新的发展契机。通过SOC技术的应用，空间电子学设备的体积、重量和功耗大幅度降低，采用SOC技术的各种专用集成电路和采用SOPC技术的各种FPGA已经成为各种空间电子学设备的重要组成部分。

针对我国在空间电子系统领域SOC技术应用比较少的现状，本文试图在SOC技术在空间电子系统领域的应用做些探索与尝试。本文选择基于

AlteraFPGA的NiosⅡ处理器作为开发基础，移植TCP/IP协议栈，编写以太网芯片的驱动程序，完成以太网数据的传输功能。测试结果表明TCP/IP协议的主要部分，比如ARP协议、UDP协议、TCP协议都工作正常，以太网芯片也能够正常收发数据。本文最后对以太网传输速度进行测试，提出提高以太网传输速度的可能的改进方法。

6.期刊论文 李璇.敖发良 基于FPGA的千兆以太网的设计 -网络安全技术与应用2008,""(5)

本文简要介绍了Xilinx最新的EDK9.1i和ISE9.1i等工具的设计使用流程,最终在采用65nm工艺级别的Xilinx Virtex-5开发板ML505上二同时设计实现了支持TCP/IP协议的10M/100M/1000M的三态以太网和千兆光以太网的SOPC系统,并对涉及的关键技术进行了说明.

7.期刊论文 刘栋.金惠华.颜猛.Liu Dong.Jin Huihua.Yan Meng 基于协议变换的图像采集系统设计 -北京航空航天大学学报2010,36(2)

介绍了一个基于高速协议变换的实时图像采集系统,该系统实现了从IEEE 1394协议到千兆以太网协议的实时变换,将基于IEEE 1394协议的数字相机发出的图像数据转发到以太网上.系统设计使用了SOPC(System On a Programmable Chip)技术,通过Avalon总线将Nios II处理器,千兆网MAC核和自定义的1394芯片接口逻辑等IP组件连接在一起形成主要的硬件电路,结合系统软件设计实现了对高速图像数据的实时转发,系统达到了较好的性能,同时具有集成度高,结构简单和扩展性好的特点,展示了利用SOPC技术解决此类问题的优势,

8.学位论文 苏晶国 基于FPGA的对象存储控制器原型的硬件设计与实现 2008

本文对基于FPGA的对象存储控制器原型的硬件设计进行了研究。主要内容如下：

⑴研究了对象存储控制器的硬件设计，使其高效完成对象级接口的智能化管理和复杂存储协议的解析，对对象存储系统整体性能提升有重要意义。基于SoPC(片上可编程系统)技术，在FPGA(现场可编程门阵列)上实现的对象存储控制器，具有功能配置灵活，调试方便，成本较低等优点。

⑵采用Cyclone II器件实现的对象存储控制器的网络接口，包含处理器模块、内存模块、Flash模块等核心组成部分，提供千兆以太网的网络接口和PCI(周边元件扩展接口)总线的主机接口，还具备电源模块、时钟模块等以保证系统正常运行。在设计实现PCB(印制电路板)时，从叠层设计、布局、布线、阻抗匹配等多方面解决高达100MHz的全局时钟带来的信号完整性问题，并基于IBIS模型进行了信号完整性分析及仿真。针对各功能模块提出了相应的调试策略，并完成了部分模块的调试工作。

⑶提出了基于Virtex-4的对象存储控制器系统设计方案，Virtex-4内嵌PowerPC高性能处理器，可更好地完成对象存储设备相关的控制和管理工作。实现了丰富的接口设计，包括千兆以太网、光纤通道、SATA(串行高级技术附件)等网络存储接口以及较PCI性能更优异的PCI-X(并连的PCI总线)主机接口；提供多种FPGA配置方式。使用Cadence公司的Capture CIS工具完成了该系统硬件的原理图绘制，通过了设计规则检查，生成了网表用作下一步设计工作的交付文件。

9.期刊论文 梁艺.周卫星.LIANG Yi.ZHOU Wei Xing 基于SoPC的视频监视器千兆网显示接口设计 -电子技术应用2009,35(8)

应用SoPC和千兆以太网技术设计实现了视频监视器的千兆网显示接口.通过该接口视频监视器可以完成数字视频信号的远程接收和显示.该设计利用Altera SoPC解决方案,将主要模块集成在一片FPGA上,可以快速构建千兆以太网系统,提高系统的集成度与稳定性.在数字远程视频传输上,该设计充分利用了千兆网的特性,对比其他数字视频传输方法,具有高速率、低成本以及分组数据的优势.

10.学位论文 张晓明 网络处理器设计的若干关键技术研究 2006

为支持不断增长的网络应用业务，网络设备越来越呈现出智能化处理特点。智能化处理不仅要求网络设备具有多层交换、安全处理和流量管理等功能，还必须具有强大的协议处理能力和灵活的可编程性，能够快速适应新型业务的添加和配置。因此，基于ASIP(Application Specific InstructionProcessor)技术的网络处理器在网络设备中得到了广泛的应用，成为推动下一代互联网发展的核心器件。

本文以网络处理器系统设计与实现为目标，从系统设计的角度研究网络处理器的早期设计和性能评价方法，并深入研究了网络处理器中若干关键的实现技术。主要创新点包括：

(1)针对网络处理器设计评价和方案优选困难的问题，结合MPSoC(Multi-ProcessorSystem on Chip)系统设计和网络报文处理特点，提出了网络处理器设计空间开发框架YH-NPDF(YinHe Network Processor Design Framework)。该框架基于平台化设计思想，采用反应式数据流进程网络RDPN(ReactiveDataflow Process Network)描述网络应用，并与参数化硬件体系结构模型相结合评价网络处理器的处理性能，通过整体退火遗传算法快速搜索设计空间和优选系统设计方案。YH-NPDF在网络应用建模、硬件资源模型和设计方案优选等方面能够较好地适应网络处理器设计和开发中的智能化报文处理需求。 (2)针对并行结构的网络处理器，提出基于模糊反馈控制环(F2CL，Fuzzy FeedbackControl Loop)的报文并行调度算法。该算法使用F2CL机制改善系统负载均衡状况；采用流cache缓存报文流的调度信息，在负载不均衡时优选调节重负载流，在流超时情况下允许对同一流内的后继报文实施重映射，从而有效控制报文乱序。实验结果表明，该算法能够在保持负载均衡的同时获得较好的报文保序效果，综合性能优于目前已有的同类算法。

(3)针对网络处理器中报文缓冲的特点，提出基于流水输入/并行输出(PIPO，Pipelining Input and Parallel Output)的多通道报文缓冲结构。PIPO采用流水输入调度技术处理输入端的写请求序列，采用并行输出调度技术调度输出端的读请求序列，同时采用访问策略优化输入输出端口的存储访问效率。与传统的FCFS调度方法相比，PIPO具有更高的带宽利用率和更低的输入输出端口瞬时带宽抖动。

论文还介绍了在Altera FPGA上基于SoPC(System on Programmable Chip)的网络处理器原型实现。该原型包含4个微处理器核，通过软件控制和协处理器加速可支持4个千兆以太网接口。利用该原型，论文对并行处理结构中的指令集扩充和协处理器共享机制进行了深入分析和探讨。同时对文中提出的F2CL调度算法等关键技术进行了验证。本文的工作对网络处理器的设计具有重要的指导意义。

本文链接：/Periodical_yqybyh201003033.aspx

授权使用：北京理工大学(北京理工大学)，授权号：c337f656-b5ce-4bca-8062-9dda012b8b37

下载时间：2010年8月22日

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5i5j.html