随着网络和通信技术的不断发展,各国对工业互联网的发展越来越重视。工业4.0的核心技术之一是一个对时间非常敏感的CPS(Cyber-Physical Systems,信息物理系统)。一个连接传感器、执行器和控制器的实时通信网络可以确保控制信息物理系统的精准实现。如何为工业互联网提供一种可以提高信息传输量、同时具有固定延迟时间的以太网方案成为一项重要的研究课题。在分析国内外信息压缩和时间敏感网络研究现状的基础上,本文提出了一种基于LZW(Lempel-Ziv-Welch)压缩算法的TSN(Time Sensitive Network,时间敏感网络)以太网系统,首先运用LZW压缩算法硬件实现对输入以太网报文进行硬件压缩处理,接着对以太网报文进行调度和仲裁,确保网络传输延迟时间为固定值,然后进行逻辑功能验证和实际测试。本文主要的研究工作包括:(1)在分析LZW压缩算法的基础上,基于FPGA(Field-Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)设计了LZW压缩算法的硬件电路,包括缓存控制模块、状态机控制模块和字典存储模块。使用异步FIFO提高了数据传输速度,采用精简状态机提高了FPGA开发板内部资源利用率。采用Verilog HDL硬件描述语言编写了LZW压缩算法硬件设计模块。(2)首先分析了TSN以太网的帧格式、时钟同步、桥接网络、门控制调度和帧抢占等模块功能,基于美国加州大学设计的一种快速可扩展的流水线优先级队列体系结构实现了报文输出管理系统,改进了TSN以太网的调度算法,将硬件系统划分为输入模块、流表和输出模块,并采用时间敏感网络调度算法和仲裁机制确保了固定延迟时间,实现了TSN以太网的实时特性和固定延迟时间。(3)采用通路测试用例和TSN专项测试用例,在Vivado Simulator仿真软件中测试丢包、断流、乱序和CRC(Cyclic Redundancy Check,循环冗余校验),验证了设计的功能逻辑正确性;在AX7325开发板上实测压缩速率,利用网络调试助手和Wireshark进行物理测量,满足延迟时间设计指标。由实验数据结果可知,本文提出的基于FPGA平台的LZW压缩方案可以实现实时无损压缩,相比于软件压缩,平均压缩速度提高约9.08倍。在工业互联网中采用具有LZW压缩算法的TSN以太网系统,能够得到固定的延迟时间而且提高了有效信息的传输速度。