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基于FPGA的iNET网络电台接口扩展技术研究

作　者: 赵岩
导　师: 王世庆; 高嵩
学　校: 成都理工大学
专　业: 电路与系统
关键词: FPGA iNET网络电台多串口网络接口扩展自适应带宽
分类号: TP334.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

由于在西藏旅游危机预防与应急救援项目中采用的是美国MDS公司的区域性专网（iNET）产品建立一个无线信息网络系统，用来解决监测点至3G信号覆盖较好处的通信问题。但是所采用的MDS iNET300系列产品所能够搭载的接口不能满足实际的需求，所以需要对现有的iNET300的接口进行扩展，基于此目的将本文的研究课题定为基于FPGA的网络接口扩展设计。通过对国内外接口转换研究的调研，由于使用背景与需求的差异，现有的接口转换和扩展产品以及接口转换和扩展方面的研究无法满足本课题的要求，基于此目的展开了本课题的研究方向，不同的通信设备接口往往采用不同的通信协议，通信接口的不同，阻碍了数据的传输，解决这个问题的一个重要方法就是协议转换，论文提出了一种基于FPGA的网络接口扩展设计。近年来随着FPGA性能的提高和片上可编程系统(System On Programmable Chip SOPC)技术的不断发展，SOPC为数据的转换提供了一条新的思路，本文的研究内容就是结合NiosII软核处理器，设计一款可裁剪的，通用的，易移植的，iNET网络电台接口扩展模块。论文对多串口和以太网转换系统的体系架构及关键技术设计进行了深入的研究，在本文的引言部分，介绍了现有不同接口的转换和扩展方式，调研了国内外的研究现状和新的发展趋势，确立了本课题的研究内容，并针对现有研究提出了本文的创新点。对在本文的主体部分，首先对基于FPGA的iNET网络接口扩展设计的功能和技术问题进行了分析，介绍了本文所涉及的两个接口协议RS232和TCP/IP各自的特性，将两种协议进行了分析和比较，并对硬件系统做了介绍，包括硬件外设板和开发板介绍以及硬件平台的搭建和数据链路通路流向。然后分两章介绍了网络接口扩展设计的软件系统，第三章对软件编程相关的应用及理论进行了介绍，包括对软件开发环境Quartus II、ModelSim、SOPC Builder、Eclipse进行了介绍，制定了基于MODBUS—RTU的多串口转换模块的通信协议，介绍了自适应算法是相关理论，并在其基础上探讨并研究了多串口模块自适应带宽的实现，最后阐述了网络接口扩展的软件设计架构，将整个设计分为两个模块来实现，分别为com_fifo多串口模块和nios_LAN_UART串口以太网转换模块，为接下来阐述基于SOPC的网络接口扩展设计的实现提供了理论基础。第四章是具体的网络接口扩展设计软件实现，对串口以太网转换模块的数据转换方式进行了介绍，然后从实现各接口的专有芯片ENC28J60, MAX232的功能和控制的软核搭建开始，为软核配置CPU、SDRAM、EPCS、JATG等外围电路，生成软核后，在其基础上结合以太网和串口各自的通信协议TCP/IP和RS232实现了NiosII软核处理器下的嵌入式串口以太网接口转换模块的开发。为了实现多串口和以太网的转换，对多串口模块的实现进行了研究，整个模块分为了主串口发送模块和主串口接收模块，并结合自适应算法，实现了自适应带宽调节的多串口同单串口之间数据的转换。最后对网络扩展设计进行了模块和系统两方面的测试，验证了本课题的功能及实现的可能性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章引言  10-17
  1.1 研究背景与研究目的  10-12
  1.2 研究现状  12-13
  1.3 研究内容  13-14
  1.4 研究创新点  14-15
  1.5 论文组织结构  15-17
第2章 iNET 网络电台接口扩展设计介绍  17-23
  2.1 iNET 网络电台接口扩展设计的功能  17
  2.2 iNET 网络电台接口扩展设计的技术分析  17-20
    2.2.1 TCP/IP 协议  18
    2.2.2 RS-232 协议  18-19
    2.2.3 两种协议的特性比较与分析  19
    2.2.4 不同协议接口转换技术分析  19-20
  2.3 iNET 网络电台接口扩展设计的硬件架构  20-22
    2.3.1 硬件外设板介绍  21
    2.3.2 硬件开发板介绍  21
    2.3.3 硬件搭建以及数据链路通路流向  21-22
  2.4 本章小结  22-23
第3章 iNET 网络电台接口扩展设计的软件架构  23-32
  3.1 网络接口扩展系统软件开发环境介绍  23-24
    3.1.1 Quartus II  23-24
    3.1.2 ModelSim  24
    3.1.3 SOPC Builder  24
    3.1.4 Eclipse  24
  3.2 基于 MODBUS-RTU 的多串口转换模块的通信协议制定  24-26
    3.2.1 Modbus 介绍  24-25
    3.2.2 多串口转换模块的通信协议制定  25
    3.2.3 多串口转换模块通信协议格式  25-26
  3.3 多串口模块自适应带宽的研究与实现  26-27
    3.3.1 自适应带宽介绍  26-27
    3.3.2 自适应带宽的实现  27
  3.4 网络接口扩展设计软件系统介绍  27-29
    3.4.1 com_fifo 多串口模块介绍  28
    3.4.2 nios_LAN_UART 串口以太网转换模块介绍  28-29
  3.5 模块整合  29-31
  3.6 本章小结  31-32
第4章 iNET 网络电台接口扩展设计的软件实现  32-48
  4.1 串口以太网转换软件模块  32-38
    4.1.1 数据的转换方式  32
    4.1.2 nios_LAN_UART 串口以太网转换模块软件实现  32-38
  4.2 com_fifo 多串口模块软件实现  38-42
    4.2.1 顶层模块  39-40
    4.2.2 主串口发送模块  40-41
    4.2.3 主串口接收模块  41-42
  4.3 多串口模块软件仿真  42-46
    4.3.1 主串口发送模块 rx2_tx 软件仿真  42-44
    4.3.2 主串口接收模块 rx_tx2 软件仿真  44-46
  4.4 本章小结  46-48
第5章 iNET 网络接口扩展设计的验证与应用  48-60
  5.1 测试方法  48-50
    5.1.1 测试上位机软件介绍  48-50
    5.1.2 硬件测试平台介绍  50
  5.2 各通信模块测试  50-59
    5.2.1 nios_LAN_UART 串口以太网转换模块测试  50-55
    5.2.2 网络接口扩展模块的测试  55-59
  5.3 本章小结  59-60
结论  60-62
  研究成果  60-61
  评价  61-62
致谢  62-63
参考文献  63-65
攻读学位期间取得学术成果  65

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