epa控制芯片的研究与设计论文

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1、摘要本论文的内容是EPA(EthemetforPlantAutomation)控制芯片的研究与设计．商用以太网具有通信带宽大，通用性和一致性好等优点，但受限于其在数据传输过程中使用的算法，传统以太网无法满足工业控制中最为关心的实时性要求．EPA协议正是在这样的背景下，由浙江大学、浙江中控技术有限公司等单位联合成立的标准起草工作组，经过3年多的技术攻关，提出的基于工业以太网的实时通信控制系统解决方案．该标准已经被列为实时以太网应用行规国际标准之一．EPA控制芯片旨在将EPA协议中应用层以下的所有较固定的功能以硬件芯片的形式实现

2、出来．基于该芯片，设备制造商们可以集中精力开发设备在应用层中的功能，不需要重复开发设备通信链路上的功能模块，从而大大减少了设备的开发成本，这对我国在工控领域首个国际标准的推广具有及其深远的意义．本文按照数字专用集成电路的标准设计流程，依次描述了EPA控制芯片的系统级设计、模块的逻辑设计与仿真验证、FPGA验证书芯片测试及结果分析。其中重点包括：从实践中总结出来的逻辑设计基本理论．芯片系统设计需要考虑的因素、EPA芯片中发送缓冲区内存管理模块的设计及结构优化、ARP(AddressResolutionProtoc01)地址解析

3、协议的实现、PTP(PreciseTimeProtoc01)时间同步协议的同步精度分析及验证、EPA控制芯片的FPGA验证等内容．EPA控制芯片的FPGA实现能够稳定运行，所有设计的功能通过了验证，证明了逻辑设计的正确性。测试过程在自建的虚拟EPA网络中进行，使用到了自行编写的VisualBasic(VB)测试程序及Ethereal等网络数据包抓取工具．芯片在中芯国际(SMIC)0．18urn工艺上流片，采用QFP80形式的封装。芯片的基本功能测试结果与FPGA实现的测试结果相同，但在从FPGA实现到ASIC实现的转换过程中

4、，因两者的FIFO实现出现不一致使得芯片的部分功能不正确。本文从逻辑设计基本方法的角度分析的问题产生的根源，并提出了在以后流片中避免出现类似错误的策略。本论文的主要创新点包括：第一，独创性地提出了逻辑设计的一种基本方法：将逻辑设计分解为信息的表达和信息的传递两部分，该方法源于实践，也在实践中得到验证；第二，在EPA芯片的发送缓冲设计中，提出了适合硬件实现的，基于页的非连续内存分配算法，并通过对比实验证明了该算法在内存使用效率上的优越性；第三，理论分析了在EPA协议这一特殊环境下，PTP同步精度的影响因素，提出了提高同步精度的

5、方法，最后摘噩通过实验证明了这一理论推测，使得”P的同步精度达到200ns以下，同步的平均偏差达到30ns以下．这一指标在建立在MAC层以上的PTp实现方法中尚属首例。关键字：EPA协议逻辑设计内存分配PTP时间同步FPGA验证系统芯片片内总线nAbstractTheresearchandchipdesignofEPAcontrolsystemisintroducedinthispaper．TraditionalEthema,whichhasgoodperformanceinbandwidthusageandcompatib

6、ility,suffersfromthefeaturcof‘'uncertainty'’duetothealgorithmittakestosolvethei58ucofdatatransferringonnetwork，Unfortunatelyreal—timeisthemostimportantfeaturethatindustrialcontrolsystemrequires．TheworkgroupincludingtheorganizationsofZhejiangUniversity,SUPCONeretook

7、threeyearstoresearchthemodificationoftraditionalEthemetandfinallyraisedtheEthemet-basedreal．timenetworkcommunicationsolutionforindustrialcontrolsystem．ItisEthernetforPlantAutomation(EPA)．EPAnowhasbeenoneofinternationalindustrialstandardinCommonProfileFamily14UflEC6

8、1784—2．ThechipofEPAprotocoltriestoimplementallthecomlⅢonfunctionswhichwillnotchangemuchindifferentapplications．Basedonsuchachip，themanufacturersc