Fpga可配置的光纤网络数据卡的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种光纤通信传输【技术领域】的FPGA可配置的光纤网络数据卡，它包括第一参考时钟芯片、第二参考时钟芯片，还包括中央处理器、光收发器、PCI-Express接口、FPGA现场可编程门阵列，第一参考时钟芯片、第二参考时钟芯片均与中央处理器连接，中央处理器、PCI-Express接口、光收发器均与FPGA现场可编程门阵列连接；FPGA现场可编程门阵列包括FC数据处理器、数据缓存、PCI-Express处理器、工作状态寄存器组，FC数据处理器、数据缓存和PCI-Express处理器均与工作状态寄存器组连接，FC数据处理器连接数据缓存，数据缓存连接PCI-Express处理器。它可以实现Gbs级的数据传输，实现高精度、实时大数据采集，实现光纤网络的监控和仿真作业。
【专利说明】FPGA可配置的光纤网络数据卡
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤通信传输【技术领域】，具体说是一种光纤通信测量、控制或信号传输数据接口装置。
【背景技术】
[0002]光纤通信，是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。一对单模光导纤维可以同时开通35000个电话，和电通信相比具有传输频带宽、传输损耗低、损耗均匀且不受温度的影响、抗干扰能力强、保真度高、信号保密度高、工作可靠度高等特点，其采用的高速串行能力的传输协议，具有高可靠性、高带宽、实时性高的特点。随着光纤技术的进步，特别是无水峰的全波窗口光纤的发展，从1280nm到1625nm的广阔的光频范围内，都能实现低损耗、低色散传输，传输容量呈几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。同时光纤通信采用点对点、星形、链状、环形网络拓扑结构，中间设备少，不需要进行复杂的协议转换。正是如此，光纤通信系统逐渐成为主流通信系统。
[0003]目前，我国已经建成以光纤网络为基础的骨干网和城域网。随着本地光纤网络和3G或者4G移动通信光纤网络建设的推进，我国的光纤通信领域还有很大的发展空间。
[0004]波分复用(WDM)和波长转换技术是光纤通信的核心技术。波分复用(WDM)是将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器(Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光纤通信线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(Demultiplexer)将各种波长的光载波信号分离，再由光接收机作进一步处理以恢复原信号。波长转换技术是将从波分复用终端或其他设备来的光信号进行转换，将非匹配波长上的光信号转到符合要求的波长上，从而实现信号从一个波长向另一个波长的转换。在含有波长转换的网络中，光通道能通过在不同的链路上用不同的波长建立，从而大大提高网络的灵活性，消除光通道的波长冲突，有利于网络的运行、管理和维护。
[0005]光纤通信系统不仅包括基础的硬件系统，还包括监控管理系统，其主要功能是对组成光纤通信系统的各种连接设备进行性能和工作状态的监测，发生故障时会自动告警并予以处理，对保护倒换系统实行自动控制。同时它还可以实现对数据的实时显示和存储，以及对存储的数据进行即时分析处理。监控管理系统不仅可以接收光端机发送的光纤通道数据，还可以直接与另一个光纤网络终端进行互连。
[0006]光纤通信系统的运行和监控功能主要是通过光纤通道数据接口卡来实现。光纤通道数据接口卡的系统功能和电路逻辑比较复杂，需要较多的可配置逻辑块。这种可配置性主要通过FPGA现场可编程门阵列来实现，设计工程师利用FPGA上的资源将许多系统功能配置到器件的逻辑电路上，缩减系统电路板上的电路数量，设计工程师还可以利用FPGA的可配置特性来更改逻辑以增加或移除功能、修补逻辑漏洞或者改善性能。
[0007]光纤通道数据接口卡采用的FPGA现场可编程门阵列包括光纤通道数据处理模块、数据缓存、和计算机连接的总线控制模块、光纤通道数据存储卡工作状态寄存器组。其中设计工程师可对光纤通道数据处理模块、和计算机连接的总线控制模块进行配置，通过配置调整实现逻辑，使各个模块处于最佳的工作状态，增加FPGA各模块工作的协调性和稳定性，进而提高FPGA的整体性能。还通过配置光纤通道数据接口卡，来适应所在的光线通道网络，消除实际应用中发现的问题，从而最大程度地满足光纤网络的运行和监测需求。
[0008]目前的光纤通道数据接口卡主要用于特定的数据采集行业中，主要有采用单片机MCU为控制核心的光纤通道数据接口卡，和采用FPGA和PCI总线的光纤通道数据接口卡，这两种光纤通道数据接口卡对于单个设备、小容量的数据采集或者监控基本够用了，但是面对大容量、高速度、高保真的光纤网络，这两种光纤通道数据接口卡就无法胜任了，同时现有的光纤通道数据接口卡配置能力较弱，仅能实现简单的配置。
【发明内容】
[0009]为了克服现有技术在采用光纤通道数据接口卡来监控和仿真光纤网络时，采用单片机MCU为控制核心的光纤通道数据接口卡根本不适合高速光纤网络的数据采集任务，采用PCI总线为接口的光纤通道数据接口卡，其数66MHZ的数据带宽，无法满足光纤网络GHZ的带宽需求，只能执行简单的数据采集作业，无法实现光纤网络的监控和仿真作业，同时现有的光纤通道数据接口卡配置能力较弱，仅能实现简单的配置。
[0010]为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案:
FPGA可配置的光纤网络数据卡，包括第一参考时钟芯片、第二参考时钟芯片，还包括中央处理器、光收发器、PC1-Express接口、FPGA现场可编程门阵列，第一参考时钟芯片、第二参考时钟芯片均与中央处理器连接，中央处理器、PC1-Express接口、光收发器均与FPGA现场可编程门阵列连接；FPGA现场可编程门阵列包括FC数据处理器、数据缓存、PC1-Express处理器、工作状态寄存器组，FC数据处理器、数据缓存和PC1-Express处理器均与工作状态寄存器组连接，FC数据处理器连接数据缓存，数据缓存连接PC1-Express处理器。
[0011]本发明投入使用时，第一步，检查、调试设备:检查FPGA可配置的光纤网络数据卡各模块之间、光收发器和光纤网络、PC1-Express接口和计算机设备的硬件连接是否正常，如果出现异常，予以纠正。第二步，加电测试设备:启动电源，确认FPGA可配置的光纤网络数据卡和连接设备工作状态是否正常，设备正常后才投入使用；第三步，调整配置设备:根据接入的光纤网络、接入测试设备的状况、监控计算机的接口，配置FPGA现场可编程门阵列，将配置程序写入FPGA现场可编程门阵列；第四步，执行任务，当FPGA可配置的光纤网络数据卡工作时，各个光纤测试设备的数据通过光纤网络输入光收发器，光收发器接收光信号后，将光信号传输FPGA现场可编程门阵列的FC数据处理器，FC数据处理器将光信号还原成电信号，通过数据缓存将数据传输速率提高，通过PC1-Express处理器传输给PC1-Express接口，通过PC1-Express接口进入计算机或者相关设备；同时，相关设备的电信号数据，通过PC1-Express接口传入FPGA可配置的光纤网络数据卡，经过数据缓存变速后，进入FC数据处理器，FC数据处理器将电信号转换成光信号，通过光收发器通过光纤网络传输给远端的光纤网络设备。第一参考时钟芯片、第二参考时钟芯片为处理器提供异步时钟，根据FPGA可配置的光纤网络数据卡的工作负荷自行调整时钟频率，从而调整中央处理器的工作频率，中央处理器还对FPGA现场可编程门阵列及其他板载芯片执行管理职能。
[0012]FPGA可配置的光纤网络数据卡的工作原理就是通过配置FPGA现场可编程门阵列的电路逻辑，来增加或移除功能，同时修补逻辑漏洞或者改善性能。[0013]和现有技术在监控和仿真光纤网络时，采用单片机或者PCI总线的弱配置能力光纤通道数据接口卡的技术方案相比，本发明采用包括FC数据处理器、数据缓存、PC1-Express处理器、工作状态寄存器组，FC数据处理器的FPGA现场可编程门阵列，它可以实现根据光纤网络的传输需求配置FPGA现场可编程门阵列，最大程度地满足光纤网络的监控和运行业务，这种卡制作工程周期短、配置灵活、定制成本低，采用Gbps级高速串行通信模式PC1-Express接口可以轻松实现计算机和光纤数据卡之间进行大容量、高负荷的数据交换。
[0014]为了进一步优化，提高FPGA可配置的光纤网络数据卡的电路逻辑配置能力，实现更好的系统功能和电路逻辑，作为优先，FPGA现场可编程门阵列为Xilinx XC5VLX110T。
[0015]FPGA现场可编程门阵列，自身拥有的可编程输入输出单元、可配置逻辑块、数字时钟管理模块、嵌入式块RAM、布线资源、底层内嵌功能单元、内嵌专用硬核各模块的性能和功能直接取决于其核心芯片。
[0016]以上是对FPGA可配置的光纤网络数据卡综合可配置能力的进一步改进。Xilinx是FPGA现场可编程门阵列行业的技术先行企业，Virtex-5系列芯片是Xilinx公司推出的全球首款65nm FPGA产品，使用1.0V三栅极氧化层工艺,使用创新的ExpressFabric构架并实现终极的系统集成平台。XC5VLX110T属于对低功耗串行I/O的高性能逻辑进行优化的LXT平台。
[0017]为了进一步优化，提高FPGA现场可编程门阵列的配置程序读写操作能力，作为优先，FPGA可配置的光纤网络数据卡，还包括Flash存储器，所述Flash存储器连接FPGA现场可编程门阵列。
[0018]目前，行业中主要采用EPROM存储器来存储配置程序，EPROM存储器存储容量小，读写需要专用的读写器，无法适应高性能FPGA可配置的光纤网络数据卡的配置程序存储和读写要求。
[0019]以上是对FPGA可配置的光纤网络数据卡配置程序数据管理能力的进一步改进。Flash存储器是非易失存储器，可以对其存储器单元块进行擦写和再编程。它具有很高的可靠性、耐用性、读写速度快。采用Flash存储器来存储配置程序，FPGA现场可编程门阵列的核心芯片读取配置程序的速度快，有利于快速启动FPGA可配置的光纤网络数据卡，同时Flash存储器的高可靠性和耐用性，有利于配置程序的安全性。
[0020]本领域技术人员可根据实际需求自由选择Flash存储器的型号。
[0021 ] 为了进一步优化，提高FPGA现场可编程门阵列数据处理能力，作为优先，FPGA可配置的光纤网络数据卡，还包括高速数据缓存器SRAM，所述高速数据缓存器SRAM连接FPGA现场可编程门阵列。
[0022]以上是对FPGA可配置的光纤网络数据卡的数据读取能力的进一步改进。高速数据缓存器SRAM具有静止存储的功能，不需要刷新电路就能保存它内部存储的数据，它具有读写时序简单、速度快、工作稳定等特点。采用高速数据缓存器SRAM为FPGA提供高速数据缓存，有利于提高FPGA可配置的光纤网络数据卡处理数据的能力，以适应更高速、更大容量的数据传输载荷。
[0023]本领域技术人员可根据实际需求自由选择高速数据缓存器SRAM的型号。
[0024]为了进一步优化，提高FPGA可配置的光纤网络数据卡的双向数据传输能力，作为优先，数据缓存包括接收缓存和发送缓存，FC数据处理器连接接收缓存，接收缓存连接PC1-Express处理器，PC1-Express处理器连接发送缓存，发送缓存连接FC数据处理器。
[0025]以上是对FPGA可配置的光纤网络数据卡的数据传输能力的进一步改进。双向数据传输就是在两个数据单元之间采用发送线和接受线各自独立的方法，使数据在两个方向上同时进行传送操作。将数据缓存分为接收缓存和发送缓存分别配置在发送线和接受线，采用FIFO这种先进先出队列来实现DMA缓存部件，从而可大大提高转发效率，降低转发时延，实现了流水线方式转发FC帧，更能解决FC数据处理器数据速率与PC1-Express数据速率不同的问题。
[0026]为了进一步优化，提高FPGA可配置的光纤网络数据卡的光信号转换和收发能力作为优先，光收发器的型号为FTRJ-8519-1-2.5。
[0027]以上是对FPGA可配置的光纤网络数据卡的数据信号转换和收发能力的进一步改进。采用Finisar公司FTRJ-8519-1-2.5光收发器，它采用850nm激光器，提供2.125Gbps传输速率，具有良好的抖动和EMI特性。
[0028]本领域技术人员可根据实际需求自由选择光收发器的型号。
[0029]为了进一步优化，提高FPGA可配置的光纤网络数据卡的外围应用扩展能力，作为优选，FPGA可配置的光纤网络数据卡，还包括接口芯片MAX1482、RS485接口、RS422接口，RS485接口、RS422接口均与接口芯片MAX1482相连，接口芯片MAX1482连接FPGA现场可编程门阵列。
[0030]以上是对FPGA可配置的光纤网络数据卡的应用扩展能力的进一步改进。计算机和和智能设备一般是通过RS485接口和RS422接口同数据处理装置进行通信，实现数据的显示、存储，从而监控和运行功能。MAX1482接口芯片是低功率的全双工接口芯片，它可以实现低EMI和低反射的和RS485接口、RS422接口进行通信，RS485接口和RS422接口都是全双工通信接口。这种采用接口芯片的系统具有丰富的外围控制接口和通信接口。
[0031]本领域技术人员可根据实际需求自由选择接口芯片的型号。
[0032]为了进一步优化，提高FPGA可配置的光纤网络数据卡对系统各模块的管理能力，作为优选，中央处理器为Cortex-M3核ARM微处理器LPC1769。
[0033]以上是对FPGA可配置的光纤网络数据卡的系统管理能力的进一步改进。Cortex-M3核ARM微处理器LPC1769，是面向行业嵌入式市场的低功耗的芯片，它具有JTAG接口，支持JTAG调试，提供了专门的指令追踪单元。对FPGA现场可编程门阵列和其他功能模块具有很强的管理能力。
[0034]本领域技术人员可根据实际需求自由选择中央处理器的型号。
[0035]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
1.和现有技术在来监控和仿真光纤网络时，采用单片机或者PCI总线的弱配置能力光纤通道数据接口卡的技术方案相比，本发明采用包括FC数据处理器、数据缓存、PC1-Express处理器、工作状态寄存器组，FC数据处理器的FPGA现场可编程门阵列，它可以实现根据光纤网络的传输需求配置FPGA现场可编程门阵列，最大程度地满足光纤网络的监控和运行业务，这种卡制作工程周期短、配置灵活、定制成本低，采用Gbps级高速串行通信模式PC1-Express接口可以轻松实现计算机和光纤数据卡之间进行大容量、高负荷的数据交换。[0036]2.本发明采用ARM架构的处理器来管理FPGA现场可编程门阵列，Flash存储器来存储FPGA现场可编程门阵列的配置程序，将数据缓存模块分为接收缓存和发送缓存适应数据双向传输的需要，它具有工作性能强大，可配置能力强，工作稳定性好、可靠性高等特点。
[0037]3.本发明采用接口芯片MAX1482、RS485接口、RS422接口，可以实现更多的智能设备的接入，实现数据的显示、存储，从而实现对光纤网络的监控和运行功能。
[0038]本发明解决了在监控和仿真光纤网络时，采用单片机或者PCI总线的弱配置能力光纤通道数据接口卡无法实现对大容量、高速的光纤网络进行有效监控和运行的技术问题，它可以实现根据光纤网络的传输需求配置FPGA现场可编程门阵列，最大程度地满足光纤网络的监控和运行业务，这种卡制作工程周期短、配置灵活、定制成本低，具有很好的产业价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对描述本发明实施例中所需要用到的附图作简单的说明。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据下面的附图，得到其它附图。
[0040]图1为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0041 ] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。
[0042]实施例一:
如图1所示，本发明，包括第一参考时钟芯片、第二参考时钟芯片，中央处理器、光收发器、PC1-Express接口、FPGA现场可编程门阵列，第一参考时钟芯片、第二参考时钟芯片均与中央处理器连接，中央处理器、PC1-Express接口、光收发器均与FPGA现场可编程门阵列连接；FPGA现场可编程门阵列包括FC数据处理器、数据缓存、PC1-Express处理器、工作状态寄存器组，FC数据处理器、数据缓存和PC1-Express处理器均与工作状态寄存器组连接，FC数据处理器连接数据缓存，数据缓存连接PC1-Express处理器。
[0043]本领域技术人员可根据实际施工环境和工件的要求自由选择组件的参数。
[0044]实施例二:
为了提高FPGA可配置的光纤网络数据卡综合可配置能力，本实施例在实施例一基础上进一步地改进，本实施例的FPGA现场可编程门阵列为Xilinx XC5VLX110T。
[0045]本领域技术人员可根据实际需求自由选择FPGA现场可编程门阵列核心芯片的型号。
[0046]实施例三:
为了提高FPGA可配置的光纤网络数据卡配置程序数据管理能力，本实施例在实施例一?二的任意一个实施例的基础上进一步地改进，本实施例的FPGA可配置的光纤网络数据卡，还包括Flash存储器，Flash存储器连接FPGA现场可编程门阵列。
[0047]本领域技术人员可根据实际需求自由选择Flash存储器的型号。
[0048]实施例四:
为了提高FPGA可配置的光纤网络数据卡的数据读取能力，本实施例在实施例一?三的任意一个实施例的基础上进一步地改进，本实施例的FPGA可配置的光纤网络数据卡，还包括高速数据缓存器SRAM，高速数据缓存器SRAM连接FPGA现场可编程门阵列。
[0049]本领域技术人员可根据实际需求自由选择高速数据缓存器SRAM的型号。
[0050]实施例五:
为了提高FPGA可配置的光纤网络数据卡的数据传输能力，本实施例在实施例一?四的任意一个实施例的基础上进一步地改进，本实施例的数据缓存包括接收缓存和发送缓存，FC数据处理器连接接收缓存，接收缓存连接PC1-Express处理器，PC1-Express处理器连接发送缓存，发送缓存连接FC数据处理器。
[0051]实施例六:
为了提高FPGA可配置的光纤网络数据卡数据信号转换和收发能力本实施例在实施例一?五的任意一个实施例的基础上进一步地改进，本实施例的
FPGA可配置的光纤网络数据卡，光收发器的型号为FTRJ-8519-1-2.5。
[0052]本领域技术人员可根据实际需求自由选择光收发器的型号。
[0053]实施例七:
为了提高FPGA可配置的光纤网络数据卡的应用扩展能力，本实施例在实施例一?六的任意一个实施例的基础上进一步地改进，本实施例的FPGA可配置的光纤网络数据卡，还包括接口芯片MAX1482、RS485接口、RS422接口，RS485接口、RS422接口均与接口芯片MAX1482相连，接口芯片MAX1482连接FPGA现场可编程门阵列。
[0054]本领域技术人员可根据实际需求自由选择接口芯片的型号。
[0055]实施例八:
为了提高FPGA可配置的光纤网络数据卡的系统管理能力，本实施例在实施例一?三的任意一个实施例的基础上进一步地改进，本实施例的中央处理器为CorteX-M3核ARM微处理器LPC1769。
[0056]本领域技术人员可根据实际需求自由选择中央处理器的型号。
[0057]如上所述便可实现该发明。
【权利要求】
1.FPGA可配置的光纤网络数据卡，包括第一参考时钟芯片、第二参考时钟芯片，其特征在于:还包括中央处理器、光收发器、PC1-Express接口、FPGA现场可编程门阵列，所述第一参考时钟芯片、第二参考时钟芯片均与中央处理器连接，所述中央处理器、PC1-Express接口、光收发器均与FPGA现场可编程门阵列连接； 所述FPGA现场可编程门阵列包括FC数据处理器、数据缓存、PC1-Express处理器、工作状态寄存器组，所述FC数据处理器、数据缓存和PC1-Express处理器均与工作状态寄存器组连接，所述FC数据处理器连接数据缓存，所述数据缓存连接PC1-Express处理器。
2.根据权利要求1所述的FPGA可配置的光纤网络数据卡，其特征在于:所述的FPGA现场可编程门阵列为Xilinx XC5VLX110T。
3.根据权利要求1所述的FPGA可配置的光纤网络数据卡，其特征在于:还包括Flash存储器，所述Flash存储器连接FPGA现场可编程门阵列。
4.根据权利要求1所述的FPGA可配置的光纤网络数据卡，其特征在于:还包括高速数据缓存器SRAM，所述高速数据缓存器SRAM连接FPGA现场可编程门阵列。
5.根据权利要求1所述的FPGA可配置的光纤网络数据卡，其特征在于:所述的数据缓存包括接收缓存和发送缓存，所述FC数据处理器连接接收缓存，所述接收缓存连接PC1-Express处理器,所述PC1-Express处理器连接发送缓存,所述发送缓存连接FC数据处理器。
6.根据权利要求1所述的FPGA可配置的光纤网络数据卡，其特征在于:所述的光收发器的型号为 FTRJ-8519-1-2.5。
7.根据权利要求1所述的FPGA可配置的光纤网络数据卡，其特征在于:还包括接口芯片 MAX1482、RS485 接 口、RS422 接 口，所述 RS485 接 口、RS422 接口 均与接 口 芯片 MAX1482 相连，所述接口芯片MAX1482连接FPGA现场可编程门阵列。
8.根据权利要求1所述的FPGA可配置的光纤网络数据卡，其特征在于:所述的中央处理器为Cortex-M3核ARM微处理器LPC1769。
【文档编号】H04B10/077GK103475413SQ201310414083
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】胡钢, 邱昆 申请人:成都成电光信科技有限责任公司