一种基于电力线的家庭以太网络实现方法

2.3 中继装置原理与构成

整个中继装置分为三个主要模块：以太网接口模块、电力线接口模块和中央控制模块。以太网接口模块的主要功能是检测以太网段的状态，接收从以太网上传来的数据包并发送从中内控制模块传来的数据。电力线接口功能是检测电力线状态，对于要发送的数据进行加密、调制、放大后发送到电力线上；在接收数据时将根据收到信号的强度自动调节前端放大的增益，自动适应电力线上的环境变化；然后将经过解调和解密，将还原的数据传给中央控制模块。中央控制模块是实现数据交换控制，控制数据键路状态的中心。

在以太网端，采用一般通用的以太网物理收发器，实现以太网信号的收发。这里可以考虑采用DAVICOM的DM9161，10MB/100MB自适应收发器，完全兼容IEEE802.3MII接口。

在电力线端，采用Intellon公司的INT5130和INT1000套片。它实现电力线上以太网数据帧的传输，内建PowerPacket电力线MAC和电力线收发器、802.3MII接口和其他的算法控制模块。

中继装置的中央控制模块由FPGA实现。这样既可以便于对将来新接口的兼容升级，也考虑到家庭网络的发展迅速，以太家庭网络对于可扩展性的高要求。将中央控制模块放在FPGA中实现，可以实现多种家庭网络通信。如Ethernet-Power-line-Ethernet;Ethernet-Power-line-USB；Ethernet-Power-line-WirelessNet等。

FPGA可以采用Altera公司的ACEX系列或是Xilinx的SpartanII。这两个系列的FPGA容量大、价格低，适合应用在家庭网络产品中。FPGA中需要实现与两个接口模块交互的控制接口，这可以由两个接口状态机实现。由于外围的接口芯片都采用了MII接口，所以必须在FPGA中实现MII使其与接口芯片实现数据传输和接口控制。中心控制由另一个状态机实现，它接收来自两个接口状态机的输入信号，作出状态判断，然后对相应的接口状态机发送控制信号。它需要实现输入的以太网数据的缓存，然后在判断出是一个有效的以太网帧后，开始向其它端口发送这个数据帧。在发送和接收的同时必须监视接口的状态，如果发生冲突，必须暂停所有的发送，然后开始发送以太网协议中规定的JAM帧，实现冲突的传播，保证在网络上同一个时间只有一个发送者拥有网络。为保证网络的自适应性，可以考虑在接收端发生冲突的概率P>设定值时，将这个端口暂时封闭。这样可以避免另一端的网络受到影响而冲突频繁。在延迟一定时间后，再将这个端口开启。在设计中还需注意数据包不能在中继装置中造成很大的延时，所以中央控制模块要尽可能快地将数据包发送出去。所以当检测到一个有效的以太网数据帧头，就可以开始发送数据。

对于可扩展性和兼容性要求不高的场合，可以考虑用专用的Ethernet repeater芯片替代FPGA实现的央控制器功能。

基于家庭网络的设备都必须要求具备：安装方便，结构简单、升级性好、安全可靠、成本低廉。本文介绍的这种新型的家庭网络中继设备正是基于这种考虑而设计的。将电力线作为家庭网络信号传输的载体，大大便捷了网络的安装，增加了接入的手段和接入点。采用PowerPacket技术还提供了在短距离内实现高速的数据传佃蝗，为家庭网络实现多媒体应用提供了可能。在硬件接口上采用了标准的以太网接口和电力线接口芯片，完全兼容IEEE标准和HomePlug，中央控制完全由FPGA实现，既满足成本低廉的要求，又能提供很好的升级和维护性能。