基于fpga的数控系统现场总线技术研究

《基于fpga的数控系统现场总线技术研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、华中科技大学硕士学位论文SERCOSIII系统基于环状拓扑结构，支持全双工以太网的环状拓扑结构可以处理冗余，当在环上一处电缆发生故障时，通讯不被中断，此时利用诊断功能可以确定故障地点，并且能够在不影响其它设备正常工作的情况下得到维护。它不使用星状的以太网结构，数据不经过路由器或转换器，从而可以使传输延时减少到最小；报文结构方面，为了应用以太网的硬实时的环境，SERCOSIII增加了一个与非实时通道同时运行的实时通道，该通道用来传输SERCOSIII报文，也就是传输命令值和反馈值，参数化的非实时通道与实时通道一起传输以太网信息和基于IP协议的信息

2、，包括TCP/IP和UDP/IP。数据采用标准的以太网帧来传输，这样实时通道和非实时通道可以根据实际情况进行配置。随着数控技术的进一步发展，对现场总线的要求进一步提高。有资料认为，在未来数年里，现场总线需要传输的信息量还要再增加10~30倍。而且希望得到更多[17][18][19][20]的实时信息，需要进一步提高实时性和同步精度。信息需求量的不断增加和其它性能的需求，将推动现场总线技术的发展。因此有人认为，以太网向现场总线的进一步渗透是必然的。而且，统一的TCP/IP协议使得Internet网络快速发展的经验和以太网标准的许多进步，使一直为不

3、同总线协议的兼容问题所困扰的工业界看到一线希望。许多现场总线组织正致力于发展EtherNet／IP技术，以太网以其廉价高速方便的特性被引入底层网络不仅使现场层控制层和管理层在垂直面的集成获得方便，更能降低不同厂家在水平层面的集成成本。现场总线最终将向Ethernet过[21]渡，许多基于现场总线的FCS最终都将连接以太网，直至与Internet相连接。1.2.2FPGA技术FPGA是在PAL（ProgrammableArrayLogic的缩写，即可编程阵列逻辑）、GAL（GenericArrayLogic的缩写，即通用阵列逻辑）、EPLD（El

4、ectricallyProgrammableLogicDevice,的缩写，即电可编程逻辑装置）等可编程器件的基础上进一步发展的产[22]物。它是作为专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内

5、部连线（Interconnect）三个部分。FPGA采用不同于PLD架构的设计方式，拥有较高的密度和容量，还具有I／O多、功耗低等优点，然而其布线复杂，亦导致时序延迟，且呈非固定式，延迟时间5华中科技大学硕士学位论文较长。FPGA的架构主要有SRAMBase及Anti-fuse两种设计模式，其中SRAMBase的特点是可重复编程、低功耗、可进行系统重构；Anti-fuse由于具有一次烧录(OTP)的特性，可在保密性上提供较佳的保护，但也因此无法进行重复修改。目前PLD／FPGA供货商全部来自美国公司，主要是Xilinx、Altera、Latti

6、ce、Actel、Atmel等。其中以Xilinx和Altera的市场占有率最大，是最大的可编程集成电路供货商。FPGA的基本特点有：ŸFPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚，可重新配置以实现用户的逻辑；Ÿ采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产就能得到合用的芯片；ŸFPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。FPGA可以实现任何数字器件的功能，上至高性能的CPU，下至简单的74系列逻辑门电路。FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法或者硬件描述语言自由设计一个数字系统。可以事先用软

7、件仿真验证设计的正确性。在PCB完成以后还可以通过对FPGA进行重新配置随时修改而不必修改硬件电路板。所以利用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提供系统的可靠性。[23][24]FPGA的发展主要有以下几个方向：（1）规模越来越大，集成度越来越高。早期的FPGA规模只有几千门，2006年5月份，Xilinx公司推出世界上第一个65nmFPGA系列——Virtex-5。基于65nm三极栅氧化层技术、11层铜布线工艺、低K材料、新型镍硅自对准技术、新型ExpressFabric技术和ASMBL架构，可以提供330000个

8、逻辑单元(可编程逻辑门约660万门)和1200个用户I／O。（2）速度不断提高，性能不断提升。Altera公司于2006年11月份推出65nm的FPG