基于FPGA的PLC扩展总线的研究

摘要

在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。随着技术的不断发展，工业控制对PLC的性能要求越来越高。因此，设计出一个连接PLC本体CPU与扩展模块的实时、可靠、稳定的通信系统，显得尤为重要。本文重点研究了基于FPGA的PLC扩展总线传输系统，提出了设计方案并进行了设计与验证。
　　 论文首先给出了PLC扩展总线设计的标准，并对几种总线技术进行了比较，以得出设计自定义的扩展总线的必要性。然后，根据标准，在扩展总线的方案选择、芯片选择、结构设计等方面进行了详细的对比分析，最后给出了扩展总线的物理层与协议，并进行设计与实现。
　　 该扩展总线是为满足PLC特定应用需求，自己定义物理层和协议而设计的主从式、一点对多点的、轮询访问的总线系统。利用这一设计的网络，一个PLC本体CPU模块连接并控制多个I/O模块，极大的扩展PLC的控制能力与性能。
　　 试验结果表明，该总线具有成本低、速率高、可靠性好、易于扩展等优点，对增强PLC的性能和市场竞争力，具有重要的意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1 PLC简介

1.1.1 PLC的发展

1.1.2 PLC的构成

1.1.3 PLC的通信联网

1.2课题的背景与意义

1.2.1课题的背景

1.2.2课题的研究意义

1.3本文所做的主要工作

1.3.1研究的主要问题

1.3.2关键技术与难点

1.3.3解决途径与方法

1.4本文的组织结构

第2章扩展总线技术

2.1总线的基本概念

2.2扩展总线的选择标准

2.3几种总线技术的比较

2.3.1 CAN总线

2.3.2 SPI总线

2.3.3通用异步串口

2.3.4 I2C总线接口

2.3.5 自定义的扩展总线

2.4本章小结

第3章扩展总线的结构设计

3.1接口芯片的选择

3.1.1 FPGA／CPLD技术

3.1.2 FPGA／CPLD芯片的选择因素

3.1.3 PLD厂家介绍与分析

3.1.4 FPGA／CPLD芯片的选择

3.1.5所选芯片的特点

3.2物理结构

3.2.1传输方式的选择

3.2.2传输结构的选择

3.3模块内部结构设计

3.3.1 CPU引脚介绍

3.3.2 FPGA引脚介绍

3.4小结

第4章扩展总线的协议

4.1扩展模块子地址的配置

4.2数据帧的定义

4.2.1帧格式介绍

4.2.2接收滤波寄存器和屏蔽寄存器的定义

4.2.3主节点与从节点的点对点的通信

4.3 CRC校验

4.3.1 CRC简介与CRC码的选择

4.3.2 CRC校验方式选择

4.4数据传输模式

4.4.1本体模块发送数据

4.4.2扩展模块接收数据

4.4.3扩展模块向本体模块返回数据

4.4.4本体模块接收应答数据

4.4.5超时重发

4.4.6扩展模块对重复发送的数据的处理

4.5扫描时间分析

4.6本章小结

第5章 扩展总线系统FPGA的开发

5.1 开发环境的选择

5.1.1 自上向下的设计方法

5.1.2硬件开发语言

5.2功能模块的划分

5.2.1 FIFO模块

5.2.2 CRC校验模块

5.2.3发送模块

5.2.4接收模块

5.2.5滤波模块

5.2.6控制模块

5.3系统的仿真

5.3.1仿真工具的选择

5.3.2系统仿真波形图

5.4本章小结

第6章CPU模块软件的设计

6.1 开发软件的选择

6.2本体模块CPU程序设计

6.3扩展模块CPU设计

6.4程序结构图

6.5小结

第7章 扩展总线的实验验证

7.1 开发板介绍

7.2扩展总线整体系统验证

7.2.1平台搭建

7.2.2验证方法

7.2.3验证结果

7.3小结

第8章结论

致谢

参考文献

个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果