CN105262598A - 一种以太网速率转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以太网速率转换方法，该方法基于USB网卡，USB网卡包括发射模块和接收模块，发射模块和接收模块均为全双工系统，USB网卡中的FPGA芯片模拟RMII数据接口，USB以太网控制器为MAC模式；采用四种方式解决LED闪烁问题，发射模块和接收模块中的发射部分采用曼切斯特编码将数据调制到LED上，使得数据和空闲部分直流分量为“0”；调制到LED上的数据做8B-9B编码，空闲部分采用曼彻斯特编码；发射模块和接收模块中的发射部分采用数据占空比在30％--70％范围之内的方式；将需要调制到LED上的数据不经过任何编码，通过在LED上加直流分量，再将需调制的信号叠加到直流分量上。本发明简化了软件系统的逻辑设置，成功解决了可见光通信中LED闪烁的问题。

Description

一种以太网速率转换方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种以太网速率转换方法。

背景技术

USB(通用串行总线)是通常用于将计算机连接到外围设备的高速串行总线协议。随着技术的发展，USB协议已被开发以为移动终端用户提供用来将极广范围的多样化外围设备连接到他们的电脑的方便接口；USB最初开发是一种极大地受益于小外形的外围设备连接器，并且，USB设备是插拔型的，它们可以被连接到移动终端或者从移动终端断开连接而不需要关闭移动终端电源。

以太网协议是用于在局域网和广域网二者中连接计算机的联网标准。以太网协议支持不同介质上的以太网通信，以太网经由介质接入控制层(MAC)的网络接入并通过共有寻址格式定义了用于物理层(PHY)的数种布线和信令达标，MAC是七层开放系统互联(OSI)模型中规定的数据链路层的子层，并且担当逻辑链路控制子层与网络的物理层之间的接口。

有些主机设备，以太网技术被嵌入到设备的主板内，设备可以很容易的经由附连到该设备中所提供的以太网端口的以太网电缆来连接到以太网；有些主机设备不包括以太网端口，可以使用该设备的USB端口来提供以太网功能性质，用户可以将USB连接到以太网适配器附连到该设备的USB端口来为该设备提供以太网的功能。这些USB到以太网适配器提供了主机设备的USB端口与该适配器的以太网端口之间的接口，以太网网络可以使用以太网电缆来被连接到该以太网端口。

现在技术中常用的USB网卡是一个单一的模块，功能是以太网转USB，但是无法获取以太网数据，现在常用的网络数据传输系统的纠错功能低，网络数据传输可靠性得不到保障；并且由于软件系统代码设计的局限，数据吞吐量小。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种以太网速率转换方法，该方法与USB网卡配合，可以将以太网数据转换成单端数据，解决了现在技术中USB网卡无法获得以太网数据的弊端，可以应用到可见光通信系统和其它网络系统中。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种以太网速率转换方法，以太网速率转换方法基于USB网卡，所述USB网卡包括发射模块和接收模块，所述发射模块和接收模块均为全双工系统，所述发射模块和接收模块中均包含发射部分和接收部分，

所述USB网卡中的FPGA芯片模拟RMII数据接口，USB以太网控制器为MAC模式；

所述发射模块和接收模块之间的数据发射和接收为异步通信，其中，

发射模块中的发射部分将以太网数据经过一系列编码、并串转换后，转换成单端发射信号，单端发射信号同步至接收模块端，成为接收模块中的接收部分的单端接收信号，单端接收信号在接收模块中的接收部分经过串并转换、一系列解码后转换成以太网数据；

接收模块中的发射部分将以太网数据经过一系列编码、并串转换后，转换成单端发射信号，单端发射信号同步至发射模块端，成为发射模块中的接收部分的单端接收信号，单端接收信号在发射模块中的接收部分经过串并转换、一系列解码后转换成以太网数据；

在以太网速率转换过程中，如果数据直接调制到LED上，LED会出现闪烁，解决LED闪烁的方式包括以下一种或几种：所述发射模块和接收模块中的发射部分采用曼切斯特编码将数据调制到LED上，使得数据和空闲部分直流分量为“0”；调制到LED上的数据做8B-9B编码，空闲部分采用曼彻斯特编码；所述发射模块和接收模块中的发射部分采用数据占空比在30％--70％范围之内的方式；将需要调制到LED上的数据不经过任何编码，通过在LED上加直流分量，再将需调制的信号叠加到直流分量上。

在本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，其中，发射模块的数据转换方法为：发射模块的串行管理为MASTER，发射模块的发射部分获得网络端的以太网数据后，FPGA芯片模拟RMII数据接口，USB以太网控制器为MAC模式，将数据的内容和长度分别存储在FIFO存储器中，然后经过一系列编码、并串转换后，将数据转换成单端发射信号；发射模块的接收部分接收到接收模块的发射部分发射的单端信号后，经过串并转换、一系列解码后，转换成以太网数据，数据的内容和长度分别存储在FIFO存储器中，实现发射模块的全双工系统；

接收模块的数据转换方法为：所述接收模块的串行管理为SLAVER，接收模块的发射部分获得网络端的以太网数据后，FPGA芯片模拟RMII数据接口，USB以太网控制器为MAC模式，将数据的内容和长度分别存储在FIFO存储器中，然后经过一系列编码、并串转换后，将数据转换成单端发射信号；接收模块的接收部分接收到发射模块的发射部分发射的单端信号后，经过串并转换、一系列解码后，转换成以太网数据，数据的内容和长度分别存储在FIFO存储器中，实现发射模块的全双工系统。

在本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述发射模块和接收模块之间的同步采用以太网数据包的前导码进行同步。

在本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述发射模块和接收模块中，将以太网数据转换成单端信号可以通过修改代码将以太网数据转换成所需要的数据格式，也可以通过修改代码改变单端信号的速率；代码设计采用流水线并行操作。

在本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述发射模块和接收模块之间的连接方式为自协商的方式，自协商确认连接的设备为十兆网卡或者百兆网卡。

在本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述发射模块和接收模块中涉及的一系列编解码，编解码的方式包括：扰码、解扰码、曼彻斯特编解码、RS编解码。

在本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述USB网卡用于电脑、手机移动终端的接口包含：USB接口、PCI接口、LPT接口、PCMCIA接口、IEEE1394接口、miniUSB接口、microUSB接口。

本发明的有益效果是:

其一、本发明方法使用FPGA模拟RMII数据接口，选用USB以太网控制器的MAC模式，简化了软件系统的逻辑设置。

其二、如果将数据直接调制到LED上，LED会出现闪烁的问题，本发明采用四种方式有效的解决了可见光通信中LED闪烁问题，1)在发射模块和接收模块中的发射部分采用曼切斯特编码将数据调制到LED上，使得数据和空闲部分直流分量为“0”；2)调制到LED上的数据做8B-9B编码，空闲部分采用曼彻斯特编码；3)发射模块和接收模块中的发射部分采用数据占空比在30％--70％范围之内的方式；4)将需要调制到LED上的数据不经过任何编码，通过在LED上加直流分量，再将需调制的信号叠加到直流分量上。

其三、本发明方法中发射模块和接收模块进行一系列编解码，使系统带有纠错功能，提高了网络数据传输的可靠性。

其四、本发明的发射模块和接收模块之间异步采样，对数据变形在单个数据位的25％之内可以正常恢复数据，能将以太网数据转换成所需的数据格式，将以太网数据转换成发射、接收的单端信号，代码设计灵活，可以通过修改代码将以太网数据转换成所需要的数据格式，并且以太网数据转换效率高，高达90％以上。

其五、本发明的代码设计采用流水线并行操作，数据的吞吐量大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明的发射模块的数据转换方法流程图。

图2为本发的接收模块的数据转换方法流程图。

图3为本发明涉及的软件系统的原理图。

其中，sys_clk为系统时钟，sys_rst_n为系统复位，clk_0和clk_1为时钟，rst_d_n为模块复位信号，i_mdc为RMII接口时钟信号，io_mdio为RMII接口数据信号，txd为发送信号，tx_en发送信号使能,ser_t发送串行信号，ser_r为接收串行信号，crs_dv为接收使能信号，rxd为接收信号，FIFO为先入先出存储器，MAC_TX物理层发射数据，MAC_RX物理层接收数据，Ser_单端接收信号，Ser_t单端发射信号。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例中公开了一种以太网速率转换方法，以太网速率转换方法基于USB网卡，上述USB网卡包括发射模块和接收模块，上述发射模块和接收模块均为全双工系统，上述发射模块和接收模块中均包含发射部分和接收部分。

上述USB网卡的硬件部分：上述发射模块和接收模块通过导线连接，上述发射模块连接网线，上述接收模块上的USB口插到移动终端和PC端上，移动终端和PC端通过上述USB网卡上网。上述发射模块实际上同时具有发射和接收功能，上述接收模块同时具有发射和接收功能，实际上，上述发射模块和接收模块为全双工系统。

上述发射模块包括：RJ45接口、PHY芯片、FPGA芯片一、FLASH芯片一和电源管理模块一。RJ45接口用于连接网线；上述PHY芯片通过上述RJ45接口和网线获得以太网数据；FPGA芯片一模拟RMII接口，上述FPGA芯片一从上述PHY芯片中采样得到以太网数据并且将以太网数据转换成单端信号发出，同时，上述FPGA芯片一将上述接收模块端发射过来的单端信号恢复成以太网数据格式发送到网络端；上述FLASH芯片一连接上述FPGA芯片一，上述FLASH芯片一用于存储上述FPGA芯片一的代码；上述电源管理模块一分别连接上述PHY芯片和FPGA芯片一。

上述接收模块包括：FPGA芯片二、USB以太网控制器、EEPROM、USB接口、FLASH芯片二。用上述FPGA芯片二模拟RMII接口，上述FPGA芯片二连接上述FPGA芯片一，上述FPGA芯片二将接受到来自上述FPGA芯片一的单端信号转换成以太网数据，同时上述FPGA芯片二将移动终端或者PC端发射的数据转换成单端信号。上述FLASH芯片二连接上述FPGA芯片二，上述FLASH芯片二用于存储上述FPGA芯片二的代码。USB以太网控制器，上述USB以太网控制器连接上述FPGA芯片二，上述USB以太网控制器将来自上述FPGA芯片二的以太网数据转换成USB协议的数据，上述USB以太网控制器还连接有USB接口，上述USB接口用于连接移动终端或者PC端，USB以太网控制器使上述接收模块与发射模块连接后能够在移动终端或者PC端上网。上述EEPROM连接上述USB以太网控制器，上述EEPROM用于配置上述USB以太网控制器。

USB以太网控制器可以有MAC模式和PHY模式，在本实施例中，上述USB以太网控制器选择MAC模式，因此，上述EEPROM用于配置USB以太网控制器的PHY-ID、网卡的MAC地址和USB网卡的其它信息。用上述FPGA芯片二模拟RMII接口，上述FPGA芯片二的主要作用是将接收到的单端信号转换成以太网数据发给USB以太网控制器，同时将移动终端或者PC端发射的数据转换成单端信号发出，形成双工通信系统。

上述USB网卡中的FPGA芯片模拟RMII数据接口，USB以太网控制器为MAC模式，简化了系统的逻辑设置；上述发射模块和接收模块之间的数据发射和接收为异步通信，异步接收数据可以正确恢复出原始数据，发射模块和接收模块之间异步采样，对数据变形在单个数据位的25％之内都可以正确的恢复出原始数据。

本实施例中的以太网速率转换方法的原理：发射模块中的发射部分将以太网数据经过一系列编码、并串转换后，转换成单端发射信号，单端发射信号同步至接收模块端，成为接收模块中的接收部分的单端接收信号，单端接收信号在接收模块中的接收部分经过串并转换、一系列解码后转换成以太网数据；

接收模块中的发射部分将以太网数据经过一系列编码、并串转换后，转换成单端发射信号，单端发射信号同步至发射模块端，成为发射模块中的接收部分的单端接收信号，单端接收信号在发射模块中的接收部分经过串并转换、一系列解码后转换成以太网数据；上述发射模块和接收模块为全双工模式。

在以太网速率转换过程中，如果数据直接调制到LED上，LED会出现闪烁，在本实施例中，解决LED闪烁的方式包括：1、所述发射模块和接收模块中的发射部分采用曼切斯特编码将数据调制到LED上，使得数据和空闲部分直流分量为“0”；2、调制到LED上的数据做8B-9B编码，空闲部分采用曼彻斯特编码；3、所述发射模块和接收模块中的发射部分采用数据占空比在30％--70％范围之内的方式；4、将需要调制到LED上的数据不经过任何编码，通过在LED上加直流分量，再将需调制的信号叠加到直流分量上。

具体的，本实施例中的数据转换方法，如图1中所示，其中发射模块的数据转换方法为：发射模块的串行管理为MASTER，发射模块的发射部分获得网络端的以太网数据后，FPGA芯片模拟RMII数据接口，USB以太网控制器为MAC模式，将数据的内容和长度分别存储在FIFO存储器中，然后经过一系列编码、并串转换后，将数据转换成单端发射信号；发射模块的接收部分接收到接收模块的发射部分发射的单端信号后，经过串并转换、一系列解码后，转换成以太网数据，数据的内容和长度分别存储在FIFO存储器中，实现发射模块的全双工系统。

如图2中所示，接收模块的数据转换方法为：上述接收模块的串行管理为SLAVER，接收模块的发射部分获得网络端的以太网数据后，FPGA芯片模拟RMII数据接口，USB以太网控制器为MAC模式，将数据的内容和长度分别存储在FIFO存储器中，然后经过一系列编码、并串转换后，将数据转换成单端发射信号；接收模块的接收部分接收到发射模块的发射部分发射的单端信号后，经过串并转换、一系列解码后，转换成以太网数据，数据的内容和长度分别存储在FIFO存储器中，实现发射模块的全双工系统。

在本实施例中，上述发射模块和接收模块之间的同步采用以太网数据包的前导码进行同步。

上述发射模块和接收模块中，将以太网数据转换成单端信号，代码设计灵活，可以通过修改代码将以太网数据转换成所需要的数据格式，也可以通过修改代码改变单端信号的速率；代码设计采用流水线并行操作，数据处理延时小，数据吞吐量大。

上述发射模块和接收模块之间的连接方式为自协商的方式，自协商确认连接的设备为十兆网卡或者百兆网卡。

上述发射模块和接收模块中涉及的一系列编解码，编解码的方式有扰码、解扰码、曼彻斯特编解码、RS编解码等，纠错码使系统带有纠错功能，提高了网络数据传输的可靠性。

实施例2

如图3所示，本实施例中公开了一种以太网速率转换软件系统，系统软件部分用于支持实施例1中的方法，其包括时钟产生模块、串行管理模块、发射模块和接收模块，上述发射模块和接收模块为全双工通信系统，全双工通信系统，发射和接收同时存在。

上述时钟产生模块主要包括PLL产生的时钟和复位信号，时钟产生模块用于产生串行管理模块、发射模块和接收模块需要的时钟信号和复位信号。

对发射模块来说，串行管理模块用来取得以太网数据；对接收模块来说，串行管理模块把数据转换成以太网数据。

发射模块用于将TXD信号转换成并行信号，然后进行一系列编码、并串转换后以单端信号输出，同时上述发射模块将上述接收模块发射过来的单端信号恢复成TXD信号。

接收模块高倍采样串行接收数据恢复成与本地时钟同步信号，然后进行一系列解码后把并行数据转换为RXD信号，同时上述接收模块将移动终端和PC端的数据转换成单端信号。

具体的时钟产生部分：FPGA外接AMHz有源晶振，根据系统需要，由PLL产生BMHz主时钟，作为MAC收发时钟；CMHz辅助时钟、DMHz，输出给外部；EMHz、FMHz(可配置、可修改)最为单端信号收发时钟；另根据时钟产生相应的复位信号，其中上述的A、B、C、D、E、F为变量。

串行管理模块用于管理发射模块中的PHY芯片的状态，和管理上述接收模块中的USB以太网控制芯片的状态。

发射模块将2bit位宽的TXD信号，转换成8bit并行信号，然后进行一系列编码、并串转换后以单端信号输出。

接收模块高倍采样串行接收数据，恢复成与本地时钟同步信号，然后进行一系列解码后把并行数据转换成2bit位宽的RXD信号。

在本实施例中，以太网速率转换软件系统中涉及的基本时序如下：

1、100Mbps的RMIITXD信号，10M情况下，时钟相同50MHZ，数据保持10个周期。

2、100Mbps的RMIIRXD信号，10M情况下，时钟相同50MHZ，数据保持10个周期。

3、发射模块和接收模块的时序是按照RMII的时序标准设计的，MDIO、MDC的读写时序按照标准设计。

上述基本时序均为行业标准。

综上上述，本发明的软件系统使用FPGA模拟RMII数据接口，选用USB以太网控制器的MAC模式，简化了软件系统的逻辑设置。本发明中尝试四种办法解决LED闪烁问题：1、所述发射模块和接收模块中的发射部分采用曼切斯特编码将数据调制到LED上，使得数据和空闲部分直流分量为“0”；2、调制到LED上的数据做8B-9B编码，空闲部分采用曼彻斯特编码；3、所述发射模块和接收模块中的发射部分采用数据占空比在30％--70％范围之内的方式；4、将需要调制到LED上的数据不经过任何编码，通过在LED上加直流分量，再将需调制的信号叠加到直流分量上。

本发明方法中发射模块和接收模块进行一系列编解码，使系统带有纠错功能，提高了网络数据传输的可靠性。

本发明的发射模块和接收模块之间异步采样，对数据变形在单个数据位的25％之内可以正常恢复数据，能将以太网数据转换成所需的数据格式，将以太网数据转换成发射、接收的单端信号，代码设计灵活，可以通过修改代码将以太网数据转换成所需要的数据格式，并且以太网数据转换效率高，高达90％以上。本发明的代码设计采用流水线并行操作，数据的吞吐量大。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种以太网速率转换方法，以太网速率转换方法基于USB网卡，所述USB网卡包括发射模块和接收模块，所述发射模块和接收模块均为全双工系统，所述发射模块和接收模块中均包含发射部分和接收部分，其特征在于：

所述USB网卡中的FPGA芯片模拟RMII数据接口，USB以太网控制器为MAC模式；

所述发射模块和接收模块之间的数据发射和接收为异步通信，其中，

发射模块中的发射部分将以太网数据经过一系列编码、并串转换后，转换成单端发射信号，单端发射信号同步至接收模块端，成为接收模块中的接收部分的单端接收信号，单端接收信号在接收模块中的接收部分经过串并转换、一系列解码后转换成以太网数据；

接收模块中的发射部分将以太网数据经过一系列编码、并串转换后，转换成单端发射信号，单端发射信号同步至发射模块端，成为发射模块中的接收部分的单端接收信号，单端接收信号在发射模块中的接收部分经过串并转换、一系列解码后转换成以太网数据；

在以太网速率转换过程中，如果数据直接调制到LED上，LED会出现闪烁，解决LED闪烁的方式包括以下一种或几种：所述发射模块和接收模块中的发射部分采用曼切斯特编码将数据调制到LED上，使得数据和空闲部分直流分量为“0”；调制到LED上的数据做8B-9B编码，空闲部分采用曼彻斯特编码；所述发射模块和接收模块中的发射部分采用数据占空比在30％--70％范围之内的方式；将需要调制到LED上的数据不经过任何编码，通过在LED上加直流分量，再将需调制的信号叠加到直流分量上。

2.根据权利要求1所述的以太网速率转换方法，其特征在于，其中，发射模块的数据转换方法为：发射模块的串行管理为MASTER，发射模块的发射部分获得网络端的以太网数据后，FPGA芯片模拟RMII数据接口，USB以太网控制器为MAC模式，将数据的内容和长度分别存储在FIFO存储器中，然后经过一系列编码、并串转换后，将数据转换成单端发射信号；发射模块的接收部分接收到接收模块的发射部分发射的单端信号后，经过串并转换、一系列解码后，转换成以太网数据，数据的内容和长度分别存储在FIFO存储器中，实现发射模块的全双工系统；

接收模块的数据转换方法为：所述接收模块的串行管理为SLAVER，接收模块的发射部分获得网络端的以太网数据后，FPGA芯片模拟RMII数据接口，USB以太网控制器为MAC模式，将数据的内容和长度分别存储在FIFO存储器中，然后经过一系列编码、并串转换后，将数据转换成单端发射信号；接收模块的接收部分接收到发射模块的发射部分发射的单端信号后，经过串并转换、一系列解码后，转换成以太网数据，数据的内容和长度分别存储在FIFO存储器中，实现发射模块的全双工系统。

3.根据权利要求2所述的以太网速率转换方法，其特征在于，所述发射模块和接收模块之间的同步采用以太网数据包的前导码进行同步。

4.根据权利要求1或2中所述的以太网速率转换方法，其特征在于，所述发射模块和接收模块中，将以太网数据转换成单端信号可以通过修改代码将以太网数据转换成所需要的数据格式，也可以通过修改代码改变单端信号的速率；代码设计采用流水线并行操作。

5.根据权利要求1所述的以太网速率转换方法，其特征在于，所述发射模块和接收模块之间的连接方式为自协商的方式，自协商确认连接的设备为十兆网卡或者百兆网卡。

6.根据权利要求1所述的以太网速率转换方法，其特征在于，所述发射模块和接收模块中涉及的一系列编解码，编解码的方式包括：扰码、解扰码、曼彻斯特编解码、RS编解码。

7.根据权利要求1所述的以太网速率转换方法，其特征在于，所述USB网卡用于电脑、手机移动终端的接口包含：USB接口、PCI接口、LPT接口、PCMCIA接口、IEEE1394接口、miniUSB接口、microUSB接口。