基于FPGA的工业以太网灵活解决方案

1 引言
   
  
  
        现在有很多以以太网为基础的工业通信协议，并都有自己的优缺点，其中有些协议是开源的，这让开发者可以设计出自己的协议。这也意味着这些开源的协议在工业上将更加受到欢迎，应用也更加广泛。现在还没有统一的协议，而且协议的发展影响着以太网标准的变化，这就要求能够支持多种协议的设计方法。本文主要提出使用FPGA 来尽可能支持较多的工业以太网协议并能支持新协议的加入和系统改进。
  
2 基于FPGA 的工业以太网解决方案
   
　　支持多种协议的一般的方法可以通过针对每一种协议都设计一块板卡，在需要时互相替换来实现。但随着市场上标准的增加和发展，则需要设计出一种性价比高而且还能快速支持 新协议的解决方法。 随着以太网的不断变化，需要开发设计新的电路板，这就会使得成本加大，而且实现的慢。然而，通过使用带有FPGA 的工业以太网接口就可以解决以上的问题，使用FPGA 最主要的好处在于它容易重新配置。
　　在任何时候只需要构造一个电路板和能支持任一种工业以太网协议的硬件程序。如果要使用不同的协议或是用户改变执行命令，只需花费几秒钟根据具体 需要改写FPGA 的配置文件。这种多协议方法大大降低了开发成本，减小编码量[1]。
　　FPGA 与以太网收发器(通常为PHY)结合使用时，它可以完成所有以太网接口的功能。PHY 和电路板中的物理层接口，数据链路层(MAC)硬件功能可由FPGA 硬件配置程序来实现；再往上层(3 层以上)的功能是由运行在FPGA 逻辑电路配置的核心处理器上的软件实现的。
　　FPGA 逻辑电路是可编程的，I/O 管脚支持多种协议，现有的IP 接口应用广泛，所以在现有的应用处理器和FPGA 之间很容易实现通信信道。一般现有的处理器接口(如I2C,SPI,其他一些本地并行总线)或系统(PCI，PCI Express，CANopen 等)都可以与FPGA 通信。
　　由于FPGA 硬件是可编程的，如果想把应用程序封装到FPGA 中，那么可以设计含有多个微处理器软核。这样做的好处在于它可以减少组件数量，降低成本和功率消耗。此外，完全基于IP 设计易于移植到新设备上，而且FPGA 的使用周期长，所以这种设计不会很快被淘汰。