【摘 要】
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在工业控制领域,常用千兆以太网作为数据传输的载体,对比其他类型通信,千兆以太网具有价格低、兼容性高、速度快的特点。传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol,TCP/IP）作为以太网的通讯协议族,其运输层上的用户数据包协议（User Datagram Protocol,UDP）常用作工控设计中的数据传输协议。UDP协议的优
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在工业控制领域,常用千兆以太网作为数据传输的载体,对比其他类型通信,千兆以太网具有价格低、兼容性高、速度快的特点。传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol,TCP/IP）作为以太网的通讯协议族,其运输层上的用户数据包协议（User Datagram Protocol,UDP）常用作工控设计中的数据传输协议。UDP协议的优点是速度快、开销低,实现起来比较简单,缺点是通讯时发送方和接收方没有建立连接,缺乏流量控制机制,所以在传输过程中会出现丢失数据包的现象,UDP协议多应用在一些数据传输允许出错的场合。本文针对UDP协议通讯过程中丢失数据包的问题,从TCP/IP体系结构的角度出发,在分析网络层的网际报文控制协议（Internet Control Message Protocol,ICMP）之后,基于UDP通信做了如下改进:在发送方与接收方传输数据时,接收方设置本地接收缓存区的存储阈值并预留一定的存储空间,如果缓存区接收数据的速度大于消耗的速度,则存储容量将会在一段时间后等于或大于存储阈值,此时接收方将产生ICMP源点抑制报文传送给发送方。发送方收到ICMP源点抑制报文后,会暂停本地数据的发送,同时产生0字节长度的UDP数据包发送给接收方用于探寻其缓存区的状态。如果存储容量仍然大于等于存储阈值,接收方会继续发送ICMP源点抑制报文,发送方会继续探寻。由于0字节的UDP数据包不会向缓存区写入数据,存储压力变小,数据将不会发生溢出,避免了 UDP有效数据的丢失。当存储容量小于存储阈值的时候,ICMP源点抑制报文停止发送。发送方在检测不到源点抑制报文的情况下,将恢复之前的发送速率。这样的处理机制使UDP通信具备了流量控制的功能。针对以上的改进思路,本文工程基于现场可编程门阵列（Filed Programmable Gate Array,FPGA）完成了以下工作:首先,设计UDP/IP协议栈,实现以太网帧的封装和解析,并在网络层、运输层实现了 IP封包解包、ICMP回显请求和应答报文收发、ICMP源点抑制报文收发、UDP组包解包的功能。其次,调用FPGA的三速以太网控制器TEMAC IP核并对其进行配置,使其能够在千兆网下工作,实现链路层的数据通信;调用FPGA的内存接口生成器MIG IP核,使用DDR3作为存储芯片,采用读写仲裁方式,完成网络数据包的数据缓存区设计。最后,在以上功能实现的基础上设计出流量控制电路,完成数据的正确传输。经测试,本文工程设计的UDP通信电路能够实现UDP数据收发过程中的流量控制功能,达到了设计需求。
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