随着科学技术的不断发展,以太网技术已经深入到我们日常生活中的方方面面,同时,从以太网技术延伸出的工业以太网技术在工业自动化系统中扮演着至关重要的角色。工业以太网通信环境具有较大的不确定性,需要针对现场实际使用改变硬件或软件的设计。而FPGA具有可灵活配置的特点,使用FPGA设计工业以太网控制器正好符合了工业以太网对系统灵活性的需求。根据采用FPGA开发具有高灵活性与高拓展性的工业以太网控制器的需求以及Zynq良好的发展前景,本论文基于Xilinx公司Zynq-7000系列FPGA平台,对工业以太网控制器的工作原理以及各功能模块进行分析,采用了软硬件结合设计的方式,提出一套基于FPGA的工业以太网控制器IP核系统设计方案,能够实现数据发送与接收的功能。论文首先简述了TCP/IP协议族相关的基础理论,包括TCP/IP协议族的分层、CSMA/CD协议,分析了工业以太网控制器的工作原理,其中对数据发送与接收的流程进行了详细的论述。其次,基于CSMA/CD协议改进了工业以太网的传输实时性。通过对非坚持CSMA/CD中时隙的再分割,提出一种基于工业以太网的时隙非坚持CSMA/CD算法,并在MATLAB仿真平台上进行模型搭建并仿真,结果显示其与非坚持CSMA/CD算法相比,时延更低,吞吐量更高且信道利用率也更高。接着,基于AXI总线设计了AXI控制器IP核,以它和Ethernet Subsystem IP核为核心搭建了工业以太网控制器IP核硬件平台。其中,Ethernet Subsystem IP核负责通过以太网口发送与接收数据,AXI控制器IP核负责将接收到的数据保存到DDR中,或者将待发送的数据从DDR中传输给Ethernet Subsystem IP核。然后对工业以太网控制器软件部分进行模块化设计,五个模块分别设计为主机接口模块、控制模块、数据发送和数据接收模块、计数器模块,论述了各个模块的工作原理和实现方法。最后,搭建了硬件测试平台,使用Wireshark、网络调试助手等软件对所设计的工业以太网控制器进行功能验证和性能测试。测试结果表明,基于FPGA的工业以太网控制器工作正常,能够与PC建立TCP连接并进行数据的接收与发送,最大传输速率接近100Mbps,满足了系统的设计要求。本论文设计的基于FPGA的工业以太网控制器与传统控制器相比,具有稳定性高、传输速度快的优点,并可以根据实际使用需要进行配置或扩展,满足了工业以太网系统对灵活性方面的要求。