基于fpga的实时运动控制网络研究与实现

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1、上海交通大学硕士学位论文基于FPGA的实时运动控制网络研究与实现硕士研究生：丁懋卿学号：1100209008导师：熊振华教授申请学位：工学硕士学科：机械工程所在单位：机械与动力工程学院答辩日期：2013年2月授予学位单位：上海交通大学万方数据DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterRESEARCHANDREALIZATIONOFFPGA-BASEDREAL-TIMEMOTIONCONTROLNETW

2、ORKSCandidate：DingMaoqingStudentID:1100209008Supervisor：Prof.XiongZhenhuaAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechanicalEngineeringDateofDefence：Feb,2013Degree-Conferring-Institution：Shanghai

3、JiaoTongUniversity万方数据万方数据万方数据上海交通大学硕士学位论文基于FPGA的实时运动控制网络研究与实现摘要随着人们对多轴协同控制和网络化制造需求的不断提高以及以太网技术的不断发展和完善，网络化的运动控制系统正成为运动控制领域的发展趋势。网络化运动控制系统要求数十甚至数百个站点能够高精度协同运动，这对运动控制网络的实时性和站点之间的时钟同步特性提出了严格要求。早期的运动控制网络在应用层对从站数据进行处理，单个从站延时达到数十微秒，很难满足高精度运动控制的实时性要求，而目前在实

4、时性上表现突出的运动控制网络大多采用专用硬件实现，难以集成到现有的基于DSP+FPGA的运动控制系统中。本文提出了一种基于FPGA的实时运动控制网络。该实时运动控制网络采用分层通信体系，在现场设备层开发了基于FPGA的实时以太网协议，实现了主站与从站的实时通信。在实时性方面，该协议采用硬件处理数据的方式，在FPGA上构建协议的数据链路层并将从站数据的处理和转发由应用层下移到数据链路层完成，有效地减小了从站延时，提高了现场设备层的通信实时性。在同步性方面，该协议采用IEEE1588透明时钟模式实现

5、各从站与主站的时钟同步，同步精度达到亚微秒级。在过程监控层，基于FPGA的实时运动控制网络采用Winpcap在数据链路层监听和接收原始数据，用以太网通信代替传统的PCI或ISA等计算机总线方式实现了过程监控层和现场设备层的信息交互，实现了以太网通信方式的“一网到底”。为方便用户对现场设备层进行调试和监控，本设计还开发了过程监控层调试软件，该软件采用VisualC++6.0编写，实现了现场设备层初始化以及对通信实时性、时钟同步性能和运动控制相关参数的监控等功能。I万方数据上海交通大学硕士学位论文论

6、文最后采用基于FPGA的实时运动控制网络搭建了通信试验平台，对现场设备层的实时性和同步性、过程监控层和现场设备层之间的以太网通信进行了测试。测试结果表明基于FPGA的实时运动控制网络单个从站延时小于2微秒，时钟同步精度达到亚微秒级，过程监控层与现场设备层之间的以太网通信能够满足调试和监控的需要。关键词：运动控制网络，实时以太网，实时性，时钟同步，FPGA，WinpcapII万方数据上海交通大学硕士学位论文RESEARCHANDREALIZATIONOFFPGA-BASEDREAL-TIMEMOT

7、IONCONTROLNETWORKSABSTRACTWiththegrowingrequirementsinmulti-axiscoordinatedmotionandnetworkedmanufacturing,aswellasthedevelopmentofEthernettechnology,networkedmotioncontrolsystems(NMCSs)havebecomeadevelopmenttrendinindustrialautomationfield.However,d

8、ozensorevenhundredsofstationsmustbeabletodocoordinatedmotioninNMCSs,whichproposedstrictrequirementsofreal-timecommunicationandclocksynchronizationformotioncontrolnetworks(MCNs).ThetraditionalMCNsfinishtheprocessingofdatapacketsinapplicationlayerandth