一种高速可配置串行现场总线的设计及应用

摘要

随着控制、通信技术的发展,以信息交换为核心的现场总线得到迅猛的发展,迅速覆盖了现场级设备到控制、管理的各个层次,成为自动化领域研究的热点之一。为了实现实时工业以太网EtherMAC(Ethemet for Manufacture AutomationControl)的低成本逻辑控制功能扩展,本文提出一种基于FPGA的高速可配置串行现场总线(HRSFB,High-speed Reconfigurable Serial Field Bus),用于扩展数字量、模拟量等功能。为EtherMAC在I/O数量较多的场合的应用提供实时理论和关键技术支撑。
　　本文在对HRSFB总线的应用场合进行需求分析后,给出了总线的设计要求:尽可能低的成本实现10Mbps的通信速率,同时实现数字量、模拟量等扩展功能。然后提出了HRSFB总线的实现方案:基于FPGA的整体方案,并分析了该方案的优势。介绍了EtherMAC总线,根据EtherMAC总线和HRSFB总线的数据交互要求,给出了HRSFB总线的拓扑结构、参考模型和通信协议,其中通信协议包括物理层协议、数据链路层协议和应用层协议。在链路层协议中给出了总线的报文结构和错误处理方法。在应用层协议中设计了总线的应用层接口以及API函数。详细给出了总线的主从节点的通信过程,包括配置过程、轮询工作过程和广播工作过程。重点对主从节点的逻辑设计实施方法和关键技术进行了研究,主要包括主从节点的整体架构、各个逻辑模块的功能、顶层状态机设计、配置过程状态机设计、工作过程状态机设计方法等。
　　为验证本文的方法和技术的有效性,给出了基于HRSFB总线的贾卡经编机控制系统应用实例。首先通过对经编机和贾卡梳控制要求的功能分析,对控制系统的整体方案进行了设计。然后对EtherMAC节点、HRSFB节点的各个模块的硬件应用本文的方法进行了设计。并设计了EtherMAC总线在Windows CE下的控制程序和HRSFB总线在Nios Ⅱ下的控制程序。
　　通过本课题的设计验证了HRSFB现场总线工作稳定、通信可靠,满足实际需要。同时,该应用充分体现了现场总线搭建系统的灵活性,可扩展性和分布式控制的优越性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 现场总线概述

1.2.1 现场总线的概念

1.2.2 现场总线的技术特点

1.3 几种有影响力的现场总线技术

1.3.1 PrOfibus

1.3.2 CAN

1.3.3 DeviceNet

1.4 现场总线的发展现状及发展趋势

1.4.1 现场总线发展现状

1.4.2 现场总线的发展趋势

1.5 课题研究内容

第2章 HRSFB总线的需求分析及整体方案

2.1 HRSFB需求分析

2.2 HRSFB设计要求

2.3 基于FPGA的方案设计

2.3.1 FPGA简介

2.3.2 FPGA芯片选型

2.3.3 FPGA方案优缺点

2.4 EtherMAC概述

2.4.1 EtherMAC简介

2.4.2 EtherMAC网络拓扑结构

2.4.3 EtherMAC数据帧结构

2.4.4 EtherMAC的工作模式

2.5 本章小结

第3章 HRSFB总线通信协议

3.1 HRSFB总线简介

3.2 HRSFB的拓扑结构

3.3 HRSFB的参考模型

3.4 物理层协议

3.5 数据链路层协议

3.5.1 链路层功能

3.5.2 HRSFB报文结构

3.5.3 总线差错处理

3.6 应用层协议

3.6.1 应用层的功能

3.6.2 应用层接口

3.6.3 HRSFB API函数

3.7 HRSFB的通信过程

3.7.1 HRSFB配置过程

3.7.2 HRSFB轮询工作过程

3.7.3 HRSFB广播工作过程

3.8 本章小节

第4章 HRSFB总线实施方案

4.1 主节点逻辑设计

4.1.1 主节点架构

4.1.2 主节点顶层状态机

4.1.3 主节点配置过程状态机

4.1.4 主节点轮询工作过程状态机

4.1.5 主节点广播工作过程状态机

4.2 从节点逻辑设计

4.2.1 从节点架构

4.2.2 从节点顶层状态机

4.2.3 从节点配置过程状态机

4.2.4 从节点工作过程状态机

4.3 本章小节

第5章 HRSFB总线在贾卡控制系统中的应用

5.1 经编机简介

5.2 贾卡梳简介

5.3 贾卡经编机控制系统设计要求

5.4 贾卡控制系统整体方案设计

5.4.1 贾卡控制系统组成

5.4.2 方案的优势

5.5 控制系统硬件设计

5.5.1 EtherMAC节点硬件设计

5.5.2 HRSFB节点硬件设计

5.6 控制系统的通信流程

5.6.1 EtherMAC总线通信流程

5.6.2 HRSFB总线通信流程

5.7 本章小结

结论及展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢

学位论文评阅及答辩情况表