CN109274607A - 一种百/千兆自适应光以太网物理层实现电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种百/千兆自适应光以太网物理层实现电路，包括光模块，还包括网速自动识别模块和接收过程物理层模块，网速自动识别模块用于确定当前光通信的速率信息；接收过程物理层模块包括数据流多次采样模块和数据流复原模块，数据流多次采样模块用于生成八个频率相同且采样沿的相位依次相差45度的采样时钟进行采样获得采样数据集合，数据流复原模块用于根据采样数据集合生成复原点数据集。本发明通过相位相差45度的八个采样时钟对接收光模块的接收端获得的串行接收数据进行采样，通过自适应识别串行接收数据的bit的持续时间段中部的采样沿，进而获得串行接收数据准确的bit值，提高了采样精度和数据传输质量。

Description

一种百/千兆自适应光以太网物理层实现电路

技术领域

本发明涉及智能变电站二次设备数字化检修与测试领域，具体涉及一种百/千兆自适应光以太网物理层实现电路。

背景技术

国家标准化组织(ISO)制定了OSI模型，该模型定义了计算机互联的标准，是设计和描述计算机网络通信的基本框架。OSI模型把网络通信的工作分为7层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。其中物理层是OSI分层架构体系中最重要、最基础的一层，它为数据链接实体之间建立、保存和释放物理链接提供机械、电子、功能和程序性的性能。物理层是一个包括多个子层的电子规范层，可以通过单一或多个器件构造。

随着我国智能电网的飞速发展，数字化变电站越来越多，站内二次设备的检测、测试需要大量的测试仪器。根据我国电力行业相关标准要求，这些光数字测试装置需要支持用于网络互联的百/千兆光以太网口接入，以实现IEC61850-9-2标准光数字SV报文和GOOSE报文的交互。我国疆域辽阔，许多新建数字化变电站分布在偏远山区，这种应用环境必然要求光数字测试装置便于携带、功耗低、成本低。目前国内相关测试装置在光以太网通信过程物理层的功能实现上基本采用专用PHY芯片，并且分开提供百兆光以太网口和千兆光以太网口，这种设计极大制约了测试装置体积、功耗等技术参数，因此找到一种实现百/千兆自适应的光以太网物理层功能的新型电路具有较强的现实意义。

发明内容

本发明专利为克服现有技术存在的上述不足，提供了一种百/千兆自适应光以太网物理层实现电路。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种百/千兆自适应光以太网物理层实现电路，包括光模块，还包括网速自动识别模块和接收过程物理层模块，

网速自动识别模块，用于访问光模块内部的速率模式寄存器，确定当前光通信的速率信息；

接收过程物理层模块包括数据流多次采样模块和数据流复原模块，

数据流多次采样模块，用于接收光模块的接收端获得的串行接收数据，用于根据当前光通信的速率信息，生成八个频率相同且采样沿的相位依次相差45度的采样时钟，采样时钟的周期长度为2倍的串行接收数据的一个bit的持续时间，八个相位依次相差45度的采样沿依次分布在串行接收数据的两个相邻bit的持续时间内，八个相位依次相差45度的采样沿获得的采样数据为一个采样数据集合，

数据流复原模块，用于接收数据流多次采样模块发送的采样数据集合，定义中心采样数据为位于串行接收数据的bit的持续时间段中部的采样沿获得的采样数据，每个采样数据集合包括两个分别对应串行接收数据的两个相邻bit的中心采样数据，根据当前的两个中心采样数据确定下次接收的采样数据集合的两个中心采样数据，当前的两个中心采样数据即为串行接收数据相邻的bit的值，采样获得的串行接收数据的各个bit的值构成复原点数据集，

定义当前接收的采集数据集合为D0_0、D45_0、D90_0、D135_0、D180_0、D225_0、D270_0、D315_0，

上次接收的采集数据集合为D0_1、D45_1、D90_1、D135_1、D180_1、D225_1、D270_1、D315_1，

上上次接收的采集数据集合为D0_2、D45_2、D90_2、D135_2、D180_2、D225_2、D270_2、D315_2，

下次接收的采集数据集合为D0_3、D45_3、D90_3、D135_3、D180_3、D225_3、D270_3、D315_3，

若当前的中心采样数据分别为D45_0和D225_0，采样位置判决逻辑E0＝((D0_2⊕D45_2)||(D180_2⊕D225_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D90_3和D270_3；

若当前的中心采样数据分别为D45_0和D225_0，采样位置判决逻辑E1＝((D45_2⊕D90_2)||(D225_2⊕D270_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D0_3和D180_3；

若当前的中心采样数据分别为D90_0和D270_0，采样位置判决逻辑E2＝((D90_2⊕D135_2)||(D270_2⊕D315_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D45_3和D225_3；

若当前的中心采样数据分别为D90_0和D270_0，采样位置判决逻辑E1＝((D45_2⊕D90_2)||(D225_2⊕D270_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D135_3和D315_3；

若当前的中心采样数据分别为D135_0和D315_0，采样位置判决逻辑E3＝((D315_1⊕D0_2)||(D135_2⊕D180_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D90_3和D270_3；

若当前的中心采样数据分别为D135_0和D315_0，采样位置判决逻辑E2＝((D90_2⊕D135_2)||(D270_2⊕D315_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D0_3和D180_3；

若当前的中心采样数据分别为D0_0和D180_0，采样位置判决逻辑E0＝((D0_2⊕D45_2)||(D180_2⊕D225_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D135_3和D315_3；

若当前的中心采样数据分别为D0_0和D180_0，采样位置判决逻辑E3＝((D315_1⊕D0_2)||(D135_2⊕D180_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D45_3和D225_3，

其中，⊕为异或运算符，||为或运算符。

如上所述的接收过程物理层模块还包括帧对齐模块，

帧对齐模块，用于对数据流复原模块输入的复原点数据进行非归零码变换得到帧对齐前串行数据，然后再将帧对齐前串行数据缓存为二十位位宽的帧对齐前并行数据，然后在帧对齐前并行数据中检索以太网报文帧的先导码和结束码，太网报文帧的先导码和结束码之间的数据为有效的帧对齐前并行数据，最后，将有效的帧对齐前并行数据进行帧对齐获得有效的帧对齐数据。

如上所述的接收过程物理层模块还包括去控制码模块，

去控制码模块，用于从帧对齐模块输入的有效的帧对齐数据中去除所有控制码数据后得到去控制码数据。

如上所述的接收过程物理层模块还包括解码控制模块，

解码控制模块，用于根据网速自动识别模块提供的当前光通信的速率信息，对去控制码模块输入的去控制码数据进行解码获得MII接口数据并将MII接口数据传输到片内缓存模块进行存储。

一种百/千兆自适应光以太网物理层实现电路，还包括发送过程物理层模块，发送过程物理层模块包括编码控制模块和加控制码模块，

编码控制模块，用于根据网速自动识别模块提供的当前光通信的速率信息对从片内缓存模块读取的MII接口数据进行编码获得编码数据；

加控制码模块，确定编码控制模块输入的编码数据中对应的报文帧起始位置和报文帧结束位置，在编码数据中对应的报文帧起始位置前加先导码，在编码数据中对应的报文帧结束位置后加结束码，得到串行发送数据并传输到光模块发送端进行对外发送。

本发明取得了以下技术效果：

1、实现百/千兆自适应光以太网口通信过程物理层的功能，可减少装置光以太网口数目，优化装置结构，避免使用专用PHY芯片，节约装置成本，降低装置功耗。

2、本发明通过相位相差45度的八个采样时钟对接收光模块的接收端获得的串行接收数据进行采样，通过自适应识别串行接收数据的bit的持续时间段中部的采样沿，进而获得串行接收数据准确的bit值，提高了采样精度和数据传输质量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为接收过程物理层模块内部结构示意图；

图3为发送过程物理层模块内部结构示意图；

图4为数据流多次采样模块采样过程的硬件示意图，其中CLK0、CLK45、CLK90、CLK135、CLK180、CLK225、CLK270、CLK315别为八个采样脉冲的依次相隔45度相位的采样沿；

图5为采样位置判决原理示意图；

图6为帧对齐模块的帧对齐示意图；

图7为八个相位相差45度的采样时钟的时序图；

图中模块名称说明：1-网速自动识别模块；2-接收过程物理层模块；3-发送过程物理层模块；4-数据流多次采样模块；5-数据流复原模块；6-帧对齐模块；7-去控制码模块；8-解码控制模块；9-加控制码模块；10-编码控制模块；11-光模块；12-片内缓存模块。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种百/千兆自适应光以太网物理层实现电路包括网速自动识别模块1、接收过程物理层模块2、发送过程物理层模块3、光模块11和片内缓存模块12。

光模块11接收端将接收的串行接收数据传输给接收过程物理层模块2，光模块11通过I2C总线与网速自动识别模块1连接，定时访问光模块11内部的速率模式寄存器，确定当前光通信的速率为千兆还是百兆，并将当前光通信的速率信息传给接收过程物理层模块2和发送过程物理层模块3，接收过程物理层模块2根据速率信息对串行接收数据进行处理获得MII接口数据并存入片内缓存模块12，发送过程物理层模块3根据速率信息对片内缓存模块12内的MII接口数据进行编码及加控制码后获得串行发送数据，串行发送数据传输到光模块11发送端进行对外发送。

接收过程物理层模块2内部结构如图2所示，包括数据流多次采样模块4、数据流复原模块5、帧对齐模块6、去控制码模块7、解码控制模块8。

数据流多次采样模块4，用于接收光模块(11)的接收端获得的串行接收数据，用于根据当前光通信的速率信息，生成八个频率相同且采样沿的相位依次相差45度的采样时钟，采样沿为上升沿或者下降沿，本实施例中为上升沿，采样时钟的周期长度为2倍的串行接收数据的一个bit的持续时间，八个相位依次相差45度的采样沿依次分布在串行接收数据的两个相邻bit的持续时间内，八个相位依次相差45度的采样沿依次获得的采样数据为一个采样数据集合，

采样数据集合的采样数据依次为D0、D45、D90、D135、D180、D225、D270、D315，采样数据集合发送到数据流复原模块5，数据流多次采样模块4的具体采样过程如图4所示。

数据流复原模块5，接收数据流多次采样模块4发送的采样数据集合D0、D45、D90、D135、D180、D225、D270、D315，定义中心采样数据为位于串行接收数据的bit的持续时间段中部的采样沿获得的采样数据，每个采样数据集合包括两个分别对应串行接收数据的两个相邻bit的中心采样数据，最开始获得的两个采样数据集合对应的中心采样数据可以为D0和D180，或者其中一个中心采样数据为“D0、D45、D90、D135、D180”中的一个，另一个中心采样数据为“D180、D225、D270、D315”中的一个。

定义当前接收的采集数据集合为D0_0、D45_0、D90_0、D135_0、D180_0、D225_0、D270_0、D315_0，

上次接收的采集数据集合为D0_1、D45_1、D90_1、D135_1、D180_1、D225_1、D270_1、D315_1，

上上次接收的采集数据集合为D0_2、D45_2、D90_2、D135_2、D180_2、D225_2、D270_2、D315_2，

下次接收的采集数据集合为D0_3、D45_3、D90_3、D135_3、D180_3、D225_3、D270_3、D315_3，

上述定义中，D指代采样数据，D后面的0、45、90、135、180、225、270、315均指代相位。

根据当前的两个中心采样数据确定下次接收的采样数据集合的两个中心采样数据，当前的两个中心采样数据即为串行接收数据相邻的bit的值，由于采样时钟的周期长度为2倍的串行接收数据的bit的持续时间，通过八个频率相同的采样时钟的相位相差45度的采样沿一次可以确定串行接收数据的两个bit的值，进而采样串行接收数据的各个bit的值获得复原点数据集。

若当前的中心采样数据分别为D45_0和D225_0，采样位置判决逻辑E0＝((D0_2⊕D45_2)||(D180_2⊕D225_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D90_3和D270_3；

若当前的中心采样数据分别为D45_0和D225_0，采样位置判决逻辑E1＝((D45_2⊕D90_2)||(D225_2⊕D270_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D0_3和D180_3；

若当前的中心采样数据分别为D90_0和D270_0，采样位置判决逻辑E2＝((D90_2⊕D135_2)||(D270_2⊕D315_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D45_3和D225_3；

若当前的中心采样数据分别为D90_0和D270_0，采样位置判决逻辑E1＝((D45_2⊕D90_2)||(D225_2⊕D270_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D135_3和D315_3；

若当前的中心采样数据分别为D135_0和D315_0，采样位置判决逻辑E3＝((D315_1⊕D0_2)||(D135_2⊕D180_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D90_3和D270_3；

若当前的中心采样数据分别为D135_0和D315_0，采样位置判决逻辑E2＝((D90_2⊕D135_2)||(D270_2⊕D315_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D0_3和D180_3；

若当前的中心采样数据分别为D0_0和D180_0，采样位置判决逻辑E0＝((D0_2⊕D45_2)||(D180_2⊕D225_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D135_3和D315_3；

若当前的中心采样数据分别为D0_0和D180_0，采样位置判决逻辑E3＝((D315_1⊕D0_2)||(D135_2⊕D180_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D45_3和D225_3。

⊕为异或运算符，||为或运算符。

帧对齐模块6，首先对数据流复原模块5输入的复原点数据进行非归零码变换得到帧对齐前串行数据，然后再将帧对齐前串行数据缓存为二十位位宽的帧对齐前并行数据，然后在帧对齐前并行数据中检索以太网报文帧的先导码和结束码，具体检索过程如图6所示，太网报文帧的先导码和结束码之间的数据为有效的帧对齐前并行数据。最后，将有效的帧对齐前并行数据进行帧对齐获得有效的帧对齐数据。

去控制码模块7，根据IEEE802.3标准协议，从帧对齐模块6输入的有效的帧对齐数据中去除所有控制码数据后得到去控制码数据。

解码控制模块8，根据网速自动识别模块1提供的当前光通信的速率信息，决定对去控制码模块7输入的去控制码数据的解码方式。如果当前光通信速率为百兆速率，则解码控制模块8对去控制码数据进行5B/4B解码获得MII接口数据；如果当前光通信速率为千兆速率，则解码控制模块8对去控制码数据进行10B/8B解码获得MII接口数据。MII接口数据传输到片内缓存模块12进行存储。

发送过程物理层模块3内部结构如图3所示，其包括编码控制模块10、加控制码模块9。首先片内缓存模块12提供的MII接口数据通过编码控制模块10得到编码数据，然后编码数据通过加控制码模块9得到加控制码数据，最后加控制码数据通过光模块11发送端输出。

编码控制模块10，根据网速自动识别模块1提供的当前光通信速率信息，决定对从片内缓存模块12读取的MII接口数据进行何种方式编码。如果当前光通信速率为百兆速率，则编码控制模块10需要对MII接口数据进行4B/5B方式编码获得编码数据；如果当前光通信速率为千兆速率，则编码控制模块10需要对MII接口数据进行8B/10B方式编码获得编码数据。

加控制码模块9，根据IEC61850-9-2标准报文帧格式协议，确定编码控制模块10输入的编码数据中对应的报文帧起始位置和报文帧结束位置，然后根据IEEE802.3标准在编码数据中对应的报文帧起始位置前加先导码，在编码数据中对应的报文帧结束位置后加结束码，得到串行发送数据并传输到光模块11发送端进行对外发送。

作为一种优选方案，发送报文为IEC61850-9-2标准SV报文和IEC61850-9-2标准GOOSE报文，接收报文为IEC61850-9-2标准SV报文和IEC61850-9-2标准GOOSE报文。百兆光模块型号可选用HFBR-57E5APZ，千兆光模块型号可选用AFBR-5710APZ。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或替代，但不会偏离本发明的精髓或者超越所附权利要求书外定义的范围。

Claims (5)

1.一种百/千兆自适应光以太网物理层实现电路，包括光模块(11)，其特征在于，还包括网速自动识别模块(1)和接收过程物理层模块(2)，

网速自动识别模块(1)，用于访问光模块(11)内部的速率模式寄存器，确定当前光通信的速率信息；

接收过程物理层模块(2)包括数据流多次采样模块(4)和数据流复原模块(5)，

数据流多次采样模块(4)，用于接收光模块(11)的接收端获得的串行接收数据，用于根据当前光通信的速率信息，生成八个频率相同且采样沿的相位依次相差45度的采样时钟，采样时钟的周期长度为2倍的串行接收数据的一个bit的持续时间，八个相位依次相差45度的采样沿依次分布在串行接收数据的两个相邻bit的持续时间内，八个相位依次相差45度的采样沿获得的采样数据为一个采样数据集合，

数据流复原模块(5)，用于接收数据流多次采样模块(4)发送的采样数据集合，定义中心采样数据为位于串行接收数据的bit的持续时间段中部的采样沿获得的采样数据，每个采样数据集合包括两个分别对应串行接收数据的两个相邻bit的中心采样数据，根据当前的两个中心采样数据确定下次接收的采样数据集合的两个中心采样数据，当前的两个中心采样数据即为串行接收数据相邻的bit的值，采样获得的串行接收数据的各个bit的值构成复原点数据集，

定义当前接收的采集数据集合为D0_0、D45_0、D90_0、D135_0、D180_0、D225_0、D270_0、D315_0，

上次接收的采集数据集合为D0_1、D45_1、D90_1、D135_1、D180_1、D225_1、D270_1、D315_1，

上上次接收的采集数据集合为D0_2、D45_2、D90_2、D135_2、D180_2、D225_2、D270_2、D315_2，

下次接收的采集数据集合为D0_3、D45_3、D90_3、D135_3、D180_3、D225_3、D270_3、D315_3，

若当前的中心采样数据分别为D45_0和D225_0，采样位置判决逻辑E0＝((D0_2⊕D45_2)||(D180_2⊕D225_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D90_3和D270_3；

若当前的中心采样数据分别为D45_0和D225_0，采样位置判决逻辑E1＝((D45_2⊕D90_2)||(D225_2⊕D270_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D0_3和D180_3；

若当前的中心采样数据分别为D90_0和D270_0，采样位置判决逻辑E2＝((D90_2⊕D135_2)||(D270_2⊕D315_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D45_3和D225_3；

若当前的中心采样数据分别为D90_0和D270_0，采样位置判决逻辑E1＝((D45_2⊕D90_2)||(D225_2⊕D270_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D135_3和D315_3；

若当前的中心采样数据分别为D135_0和D315_0，采样位置判决逻辑E3＝((D315_1⊕D0_2)||(D135_2⊕D180_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D90_3和D270_3；

若当前的中心采样数据分别为D135_0和D315_0，采样位置判决逻辑E2＝((D90_2⊕D135_2)||(D270_2⊕D315_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D0_3和D180_3；

若当前的中心采样数据分别为D0_0和D180_0，采样位置判决逻辑E0＝((D0_2⊕D45_2)||(D180_2⊕D225_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D135_3和D315_3；

若当前的中心采样数据分别为D0_0和D180_0，采样位置判决逻辑E3＝((D315_1⊕D0_2)||(D135_2⊕D180_2))＝1成立，则下次接收的采样数据集合的中心采样数据分别为D45_3和D225_3，

其中，⊕为异或运算符，||为或运算符。

2.根据权利要求1所述的一种百/千兆自适应光以太网物理层实现电路，其特征在于，所述的接收过程物理层模块(2)还包括帧对齐模块(6)，

帧对齐模块(6)，用于对数据流复原模块(5)输入的复原点数据进行非归零码变换得到帧对齐前串行数据，然后再将帧对齐前串行数据缓存为二十位位宽的帧对齐前并行数据，然后在帧对齐前并行数据中检索以太网报文帧的先导码和结束码，太网报文帧的先导码和结束码之间的数据为有效的帧对齐前并行数据，最后，将有效的帧对齐前并行数据进行帧对齐获得有效的帧对齐数据。

3.根据权利要求2所述的一种百/千兆自适应光以太网物理层实现电路，其特征在于，所述的接收过程物理层模块(2)还包括去控制码模块(7)，

去控制码模块(7)，用于从帧对齐模块(6)输入的有效的帧对齐数据中去除所有控制码数据后得到去控制码数据。

4.根据权利要求3所述的一种百/千兆自适应光以太网物理层实现电路，其特征在于，所述的接收过程物理层模块(2)还包括解码控制模块(8)，

解码控制模块(8)，用于根据网速自动识别模块(1)提供的当前光通信的速率信息，对去控制码模块(7)输入的去控制码数据进行解码获得MII接口数据并将MII接口数据传输到片内缓存模块(12)进行存储。

5.根据权利要求1所述的一种百/千兆自适应光以太网物理层实现电路，其特征在于，还包括发送过程物理层模块(3)，发送过程物理层模块(3)包括编码控制模块(10)和加控制码模块(9)，

编码控制模块(10)，用于根据网速自动识别模块(1)提供的当前光通信的速率信息对从片内缓存模块(12)读取的MII接口数据进行编码获得编码数据；

加控制码模块(9)，确定编码控制模块(10)输入的编码数据中对应的报文帧起始位置和报文帧结束位置，在编码数据中对应的报文帧起始位置前加先导码，在编码数据中对应的报文帧结束位置后加结束码，得到串行发送数据并传输到光模块(11)发送端进行对外发送。