基于PCI接口的小型工业总线的研究与设计

摘要

本课题利用价格实惠的Alters公司的Cyclone系列的EPIC6Q240C8芯片，完成了PCI接口设计，完成了小型工业总线协议的制定和协议的FPGA实现，并在使用光纤通信的数控网络验证该总线的有效性和可靠性。
　　 论文的结构如下:
　　 第一章:绪论。概述了相关领域的背景情况，对现场总线技术进行整体介绍，进而提出本文的研究内容及创新之处。
　　 第二章:小型工业实时通信总线协议的设计与FPGA实现。主要是针对小型工业底层设备间通信数据的特点:数据帧较小，数据量也较小，但对数据有高实时，高可靠性，周期性等特点，设计一种满足这些要求的总线协议，并研究如何用VHDL语言进行通信协议功能描述。
　　 第三章:硬件设计。主要设计基于FPGA和光纤收发模块，PCI通信总线的硬件系统。包括FPGA模块及外围配置电路、基于FPGA的PCI总线接口的设计、光纤收发一体化模块LVPECL、数字信号输入输出模块、模拟信号输出模块、高速电路板的设计等内容。
　　 第四章:PC微机接口模块的设计与实现。包括EPP并口模块和PCI总线模块的设计及驱动开发。在开发了EPP并口通信的基础上，提出了一种基于PCI总线的高速串行通信接口设计方案，采了FPGA实现PCI接口设计，并开发了基于Linux系统环境下大的底层驱动程序的基本框架。
　　 第五章:小型工业总线的在数控网络上的测试及其应用。
　　 最后的结论部分对整体进行总结和展望。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 本课题研究背景

1.2 国内外工业总线的发展与研究现状

1.2.1 现场总线的发展与研究现状

1.2.2 开放式数控系统特点及其国内外研究现状

1.3 本课题研究内容

1.4 本文的组织结构

第二章 小型工业总线协议的设计与实现

2.1 小型工业总线的优势及其工作原理

2.1.1 小型工业总线优势

2.1.2 工作原理

2.2 小型工业总线协议结构及其FPGA实现

2.2.1 物理层

2.2.2 数据链路层

2.2.3 传输层

2.2.4 应用层

2.3 IP核技术介绍及整体设计思路

2.4 小型工业总线的分层设计实现

2.4.1 物理层模块设计

2.4.2 数据链路层模块设计

2.4.3 传输层模块设计

2.4.4 外部应用接口

2.5 本章小结

第三章 硬件设计

3.1 FPGA电路的设计

3.1.1 FPGA技术的发展

3.1.2 FPGA器件选型及总体电路

3.1.3 电源电路设计

3.1.4 配置方式

3.1.5 时钟电路及锁相环(PLL)电路

3.2 PC微机接口电路

3.3 光电收发一体化电路

3.4 数字信号输入和输出电路

3.5 模拟信号输出电路

3.6 信号完整性分析

3.7 本章小结

第四章 PC微机接口模块的设计与实现

4.1 FPGA的开发流程

4.2 EPP并口接口设计及实现

4.2.1 EPP模式下实现数据传输的原理

4.2.2 FPGA接口设计及状态机实现

4.2.3 EPP并口程序设计

4.3 PCI接口设计与实现

4.3.1 方案选择

4.3.2 PCI接口信号

4.3.3 PCI总线操作

4.3.4 PCI配置空间

4.3.5 PCI接口的功能模块构成及仿真

4.3.6 PCI设备驱动程序开发

4.4 本章总结

第五章 小型工业总线在数控系统中的测试及应用

5.1 下一代数控系统发展方向

5.2 主要模块介绍

5.2.1 差分模块

5.2.2 LS7166计数器模块

5.2.3 DAC模块

5.2.4 开关量控制模块

5.3 小型工业总线在数控系统中的应用

5.4 本章总结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢