一种高速可配置串行现场总线的设计及应用

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1、摘要随着控制、通信技术的发展，以信息交换为核心的现场总线得到迅猛的发展，迅速覆盖了现场级设备到控制、管理的各个层次，成为自动化领域研究的热点之一。为了实现实时工业以太网EtherMAC(EthemetforManufactureAutomationContr01)的低成本逻辑控制功能扩展，本文提出一种基于FPGA的高速可配置串行现场总线(HRSFB，High-speedReconfigurableSerialFieldBus)，用于扩展数字量、模拟量等功能。为EtherMAC在I／0数量较多的场合的应用提供实时理论和关键技术支撑。本文在对H

2、RSFB总线的应用场合进行需求分析后，给出了总线的设计要求：尽可能低的成本实现lOMbps的通信速率，同时实现数字量、模拟量等扩展功能。然后提出了HRSFB总线的实现方案：基于FPGA的整体方案，并分析了该方案的优势。介绍了EtherMAC总线，根据EtherMAC总线和HRSFB总线的数据交互要求，给出了HRSFB总线的拓扑结构、参考模型和通信协议，其中通信协议包括物理层协议、数据链路层协议和应用层协议。在链路层协议中给出了总线的报文结构和错误处理方法。在应用层协议中设计了总线的应用层接口以及API函数。详细给出了总线的主从节点的通信过程

3、，包括配置过程、轮询工作过程和广播工作过程。重点对主从节点的逻辑设计实施方法和关键技术进行了研究，主要包括主从节点的整体架构、各个逻辑模块的功能、顶层状态机设计、配置过程状态机设计、工作过程状态机设计方法等。为验证本文的方法和技术的有效性，给出了基于HRSFB总线的贾卡经编机控制系统应用实例。首先通过对经编机和贾卡梳控制要求的功能分析，对控制系统的整体方案进行了设计。然后对EtherMAC节点、HRSFB节点的各个模块的硬件应用本文的方法进行了设计。并设计了EtherMAC总线在WindowsCE下的控制程序和HRSFB总线在NiosII下

4、的控制程序。通过本课题的设计验证了HRSFB现场总线工作稳定、通信可靠，满足实际需要。同时，该应用充分体现了现场总线搭建系统的灵活性，可扩展性和分布式控制的优越性。关键词：现场总线；FPGA：状态机：HRSFB；贾卡经编机控制系统ABSTRACTWiththedevelopmentofcontrolandcommunicationtechnology,thefieldbuswhichregardedmessageexchangingasitscoregrewuprapidly,quicklycoveredthefieldleveldevic

5、estothecontrol，managementatalllevelsandbecameoneofthehotspotsinthefieldofautomation．InordertOfulfilllow·costextensionofrealtimeindustrialEthemetEtherMACinlogiccontrolfunction，aFPGA-baSedhigh-speedreconfigurableserialfieldbus(HRSFB)wasgiven，whichcouldbeusedtoexpanddigitalan

6、danalogfunctions．Thereal-timetheoryandthekeytechnicalsupportforEtherMACwereprovidedinalargenumberofI／0applications．AfterdescribingtherequirementsofHRSFBbus，thedesignrequirementswasgiven，suchasrealizing10Mbpscommunicationratewithlowcostaspossibleasyoucouldandachievingextend

7、edfunctionslikedigitandanalog．ThenFPGA-basedoverallsolutionofHRSFBbuswasintroducedwimitsadvantages．ThenEtherMACbusandHRSFBbuswereintroduced．Thetopologystructure，referencemodelandcommunicationprotocolwerepresented．ThecommunicationprotocolWasintroducedindetail，includingtheph

8、ysicallayerprotocol，thedatalinklayerprotocolandtheapplicationlayerprotoc01．Messagestructu