基于FPGA的PCIE通用多功能通信接口模块制造技术

本发明专利技术涉及基于FPGA的PCIE通用多功能通信接口模块，该通信接口模块包括FPGA芯片、光收发模块、光纤转接插座、CPCIE通用连接器、变压器、隔离芯片、两路千兆网PHY芯片和电平驱动芯片，其连接关系为FPGA芯片分别和光收发模块、隔离芯片、两路千兆网PHY芯片相连，一个隔离芯片连接一个电平驱动芯片，两路千兆网PHY芯片和变压器相连；变压器、电平驱动芯片均连接在CPCIE通用连接器上；FPGA芯片内集成RS422接口IP核、CAN总线IP核、双冗余千兆网IP核和双冗余万兆网IP核四种通信接口。该模块通过在FPGA芯片内集成多种通信接口IP核并通过仲裁模块对多种通信接口IP核进行统一调配管理，配合适当的外围芯片电路，可实现多种通信接口灵活配置的通用PCIE多功能通信接口模块。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的PCIE通用多功能通信接口模块
本专利技术涉及计算机通信接口领域，具体为一种基于FPGA的PCIE通用多功能通信接口模块。
技术介绍
当前计算机系统中常用的通信接口一般有RS422串行接口、CAN总线接口、千兆以太网接口、万兆以太网接口。在军工和工业领域中，这些接口功能一般由专门的通信接口板实现。对于同时需要使用上述多种接口的系统，则需要插接多块接口板以满足使用要求。为了减少板卡数量，可以将多种专用芯片集成在同一块板卡上，但是这种方案需要使用大量的通信接口芯片和相关配套芯片，从而大大提高了板卡的硬件设计难度，并且系统扩展配置不够灵活。通信接口板一般通过PCIE接口和主板通信。一路PCIE总线只能挂接一种通信接口板，因此当系统需要多种通信接口时，主机板需要为每块通信接口板预留一路PCIE总线。万兆以太网接口当前已广泛用于服务器、高性能计算机等领域，当前万兆以太网接口主要使用INTEL公司的专用芯片82599实现，这种方案在某一路万兆网接口故障的状态下无法自动切换到另一路万兆网接口继续通信，只能手动指定其他备用接口继续传输数据。因此，可以看出，当前技术中存在着以下缺陷：1)系统需要多种通信接口时需要插接多块电路板，成本高，占用空间大；2)使用多种专用芯片集成在同一块板卡的方案具有电路设计难度高，成本高，可靠性差，并且需要扩展时不够灵活的问题；3)由于一路PCIE接口只能挂接一种通信接口，主机板需要扩展多种通信接口时就需要多路PCIE总线，导致主机板或整个系统的结构复杂大大增加，而实际物理结构往往是一定的，因此也限制了扩展PCIE路数的上限。4)万兆以太网和千兆以太网接口，当一个端口出现故障，无法快速自动切换端口以保证通信不会中断。
技术实现思路
本专利技术的目的为针对当前技术中存在的问题，提供一种基于FPGA的PCIE通用多功能通信接口模块。该模块通过在FPGA芯片内集成多种通信接口IP核并通过仲裁模块对多种通信接口IP核进行统一调配管理，配合适当的外围芯片电路，可实现多种通信接口灵活配置的通用PCIE多功能通信接口模块。本专利技术的技术方案为：一种基于FPGA的PCIE通用多功能通信接口模块，其特征在于该通信接口模块包括FPGA芯片、光收发模块、光纤转接插座、CPCIE通用连接器、变压器、隔离芯片、两路千兆网PHY芯片和电平驱动芯片，其连接关系为FPGA芯片分别和光收发模块、隔离芯片、两路千兆网PHY芯片相连，一个隔离芯片连接一个电平驱动芯片，两路千兆网PHY芯片和变压器相连；变压器、电平驱动芯片均连接在CPCIE通用连接器上；光纤转接插座安装在CPCIE通用连接器上，光纤转接插座与CPCIE通用连接器相连；FPGA芯片还和CPCIE通用连接器直接相连，通过PCIE通道与上位机进行通信；FPGA芯片内集成RS422接口IP核、CAN总线IP核、双冗余千兆网IP核和双冗余万兆网IP核四种通信接口，接口的种类和每种接口的数量能根据FPGA资源灵活配置；与上位机通过PCIE通信，PCIE通道配置成1路X8通道或者2路X4通道；RS422接口IP核、CAN总线IP核、双冗余千兆网IP核和双冗余万兆网IP核均与仲裁模块连接，仲裁模块查询双冗余万兆网IP核、双冗余千兆网IP核、RS422接口IP核以及CAN总线IP核的FIFO缓存数据情况，并根据各个IP核的优先级以及上位机配置的传输寄存器状态确定当前传输数据的IP核，并使当前传输数据的IP核接管DMA模块的使用权；FPGA芯片还集成有PCIE核，DMA模块通过PCIE核与上位机进行通信，DMA模块用于完成IP核的FIFO中的数据流到上位机内存的传输控制；RS422接口IP核和CAN总线IP核的相应接口分别连接一个隔离芯片，双冗余千兆网IP核连接两路千兆网PHY芯片，双冗余万兆网IP核连接光收发模块。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术突出的实质性特点是：1)本专利技术提出了一种PCIE通用多功能通信接口模块的硬件设计架构，使用一片FPGA芯片实现RS422串行接口、CAN总线接口、千兆以太网接口、万兆以太网接口四种通信接口的功能，接口的种类和每种接口的数量可以根据FPGA资源灵活配置，以满足实际使用要求；2)通过FPGA中的仲裁模块和DMA模块实现了一路PCIE挂接多种通信接口的功能；3)FPGA中集成了双冗余万兆网IP核和双冗余千兆网IP核，实现单路通道故障时基于硬件的快速切换，切换时间可控制在10ms之内，远远低于软件切换方法的几秒切换时间。本专利技术的显著进步是：本专利技术仅使用一片FPGA芯片可实现RS422串行接口、CAN总线接口、千兆以太网接口、万兆以太网接口四种通信接口的功能，大大降低了板卡的设计成本和硬件设计难度；接口的种类和每种接口的数量可以根据FPGA资源灵活配置，具备普通通信接口模块没有的灵活性；实现了一路PCIE总线挂接多种通信接口模块的功能，提高了总线使用效率，降低的系统扩展的复杂度。附图说明图1为使用1路X8带宽的PCIE接口时通用多功能通信接口模块的系统结构框图；图2为使用2路X4带宽的PCIE接口时通用多功能通信接口模块的系统结构框图；图3为PCIE通用多功能通信接口模块的测试系统示意图。图中，1FPGA芯片、2光收发模块、3光纤转接插座、4CPCIE通用连接器、5变压器、8隔离芯片、7两路千兆网PHY芯片、6电平驱动芯片、9-PCIE核、10-DMA、11-仲裁模块、12-RS422接口IP核、13-CAN总线IP核、14-双冗余千兆网IP核、15-双冗余万兆网IP核、16-总线底板、17-主机板、18-通信接口模块、19-通信接口备用插槽。具体实施方式下面结合实施例及附图，进一步解释本专利技术，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。本专利技术采用标准6U电路板的结构形式，对外接口采用CPCIE通用连接器以实现接口板的通用性；光收发模块2的光纤带插接到光纤转接插座3上，该光纤转接插座3固定在CPCIE通用连接器上，并与总线底板对应的插座对接；使用一片xilinx公司的XC7K325TFPGA芯片实现核心的接口通信功能。所述的基于FPGA的PCIE通用多功能通信接口模块(简称通信接口模块，参见图1)包括FPGA芯片1、光收发模块2、光纤转接插座3、CPCIE通用连接器4、变压器5、两个隔离芯片8、两路千兆网PHY芯片7、两个电平驱动芯片6，其连接关系为FPGA芯片1分别和光收发模块2、两个隔离芯片8、两路千兆网PHY芯片7相连，一个隔离芯片8和一个电平驱动芯片6相连，两路千兆网PHY芯片7和变压器5相连；变压器5、两个电平驱动芯片6分别和CPCIE通用连接器4相连；光纤转接插座3安装在CPCIE通用连接器4上，光纤转接插座3与CPCIE通用连接器4相连；FPGA芯片1还和CPCIE通用连接器4直接相连，通过PCIE通道与上位机进行通信；FPGA芯片内集成RS422接口IP核12、CAN总线IP核13、双冗余千兆网IP核14和双冗余万兆网IP核15四种通信接口，接口的种类和每种接口的数量可以根据FPGA资源灵活配置，以实现最小的功耗；与上位机通过PCIE通信，PCIE通道可以配置成1路X8通道或者2路X4通道；RS422接口IP本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的PCIE通用多功能通信接口模块，其特征在于该通信接口模块包括FPGA芯片、光收发模块、光纤转接插座、CPCIE通用连接器、变压器、隔离芯片、两路千兆网PHY芯片和电平驱动芯片，其连接关系为FPGA芯片分别和光收发模块、隔离芯片、两路千兆网PHY芯片相连，一个隔离芯片连接一个电平驱动芯片，两路千兆网PHY芯片和变压器相连；变压器、电平驱动芯片均连接在CPCIE通用连接器上；光纤转接插座安装在CPCIE通用连接器上，光纤转接插座与CPCIE通用连接器相连；FPGA芯片还和CPCIE通用连接器直接相连，通过PCIE通道与上位机进行通信；FPGA芯片内集成RS422接口IP核、CAN总线IP核、双冗余千兆网IP核和双冗余万兆网IP核四种通信接口，接口的种类和每种接口的数量能根据FPGA资源灵活配置；与上位机通过PCIE通信，PCIE通道配置成1路X8通道或者2路X4通道；RS422接口IP核、CAN总线IP核、双冗余千兆网IP核和双冗余万兆网IP核均与仲裁模块连接，仲裁模块查询双冗余万兆网IP核、双冗余千兆网IP核、RS422接口IP核以及CAN总线IP核的FIFO缓存数据情况，并根据各个IP核的优先级以及上位机配置的传输寄存器状态确定当前传输数据的IP核，并使当前传输数据的IP核接管DMA模块的使用权；FPGA芯片还集成有PCIE核，DMA模块通过PCIE核与上位机进行通信，DMA模块用于完成IP核的FIFO中的数据流到上位机内存的传输控制；RS422接口IP核和CAN总线IP核的相应接口分别连接一个隔离芯片，双冗余千兆网IP核连接两路千兆网PHY芯片，双冗余万兆网IP核连接光收发模块。...

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的PCIE通用多功能通信接口模块，其特征在于该通信接口模块包括FPGA芯片、光收发模块、光纤转接插座、CPCIE通用连接器、变压器、隔离芯片、两路千兆网PHY芯片和电平驱动芯片，其连接关系为FPGA芯片分别和光收发模块、隔离芯片、两路千兆网PHY芯片相连，一个隔离芯片连接一个电平驱动芯片，两路千兆网PHY芯片和变压器相连；变压器、电平驱动芯片均连接在CPCIE通用连接器上；光纤转接插座安装在CPCIE通用连接器上，光纤转接插座与CPCIE通用连接器相连；FPGA芯片还和CPCIE通用连接器直接相连，通过PCIE通道与上位机进行通信；FPGA芯片内集成RS422接口IP核、CAN总线IP核、双冗余千兆网IP核和双冗余万兆网IP核四种通信接口，接口的种类和每种接口的数量能根据FPGA资源灵活配置；与上位机通过PCIE通信，PCIE通道配置成1路X8通道或者2路X4通道；RS422接口IP核、CAN总线IP核、双冗余千兆网IP核和双冗余万兆网IP核均与仲裁模块连接，仲裁模块查询双冗余万兆网IP核、双冗余千兆网IP核、RS422接口IP核以及CAN总线IP核的FIFO缓存数据情况，并根据各个IP核的优先级以及上位机配置的传输寄存器状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤晓磊，刘振业，胡亮，
申请(专利权)人：天津津航计算技术研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12