基于FPGA的现场总线可重构方法研究与实现

发布时间：2019-10-09 12:52

【摘要】：现场总线是连接控制系统和现场智能设备的全数字、双向、多站的通信系统,广泛应用在工业控制系统的各个领域,被称为工业系统的“神经系统”。然而,由于工业控制领域现场总线技术的竞争,导致当今国际上存在多种现场总线标准,各种标准的现场总线的接口各不相同,限制了用户对总线产品的选择,一个型号的数控系统只能支持一种现场总线,增加了制造和使用成本,推高了数控系统的制造及应用推广难度。基于以太网技术的工业现场总线的主站都基于相同的硬件架构和外围电路,其功能均可采用FPGA+phy芯片实现,所以基于此本文提出了一种采用FPGA可重构技术实现一套数控系统支持多种现场总线的方法,并在蓝天数控系统上实现了对Ether CAT与SSB-III两种工业现场总线的支持。首先,论文研究了Ether CAT总线协议,使用FPGA技术设计与实现了具有PCI总线接口的Ether CAT主站通信控制器,并使用Modelsim仿真软件对设计进行了仿真验证,使用Signaltap II在线逻辑分析仪对设计进行了在线调试验证。其次,论文对提出的采用FPGA技术对多种现场总线可重构设计的方法进行详细阐述。介绍了现场总线可重构设计总体方案和基于FPGA的可重构设计原理,对PMON系统下配置FPGA方法与实现进行了详细的阐述,其中包括相关软硬件设计、PMON添加配置FPGA命令、编译PMON过程等,并对该方法进行了测试验证。对现场总线可重构设计方法的实施流程进行了介绍。最后,搭建了实验测试平台,对设计的Ether CAT主站通信控制器进行了实际的联机测试,通过实验验证了设计的正确性。对提出的现场总线可重构设计方法在蓝天数控系统上进行了测试,实验结果证明了该方法的可行性、正确性。
【图文】：

运行原理,伺服设备

图 2-1 EtherCAT 运行原理以使以太网直达端子模块。EtherCAT 中的耦合端子模块可 100BASE-TX 以太网的传递报文转换为 EBUS 总线信号使用的 LVDS 标准定义的数据传输标准），可以满足模块就可以随意对模块化设备进行扩展，随时地从底层物理层物理层之间的转换，而不需要其他物理介质。所以符合标无需附加任何总线即可访问各个设备。统组成主站站可由传统的 PC 或嵌入式设备实现[14]。硬件组成方面，信板卡，普通的网卡即可满足通讯需要，传输介质可以使或光纤电缆。主站的硬件连接如图 2-2 所示。以太网控制伺服设备伺服设备伺服设备

连接方式,从站,网段,设备

图 2-8 直连模式下连接方式直连模式的拓扑结构在逻辑上等效于环形总线：在环的一端，主站直接插入以太网帧，在环的另一端接受处理完毕并返回帧。数据帧从首个从站依次向下传最后一个从站将处理好的帧返回主设备。直连模式将所有的从站设备看成一个以太网设备，即一个 EtherCAT 网段，所以在以太网帧头的目的地址 6 个字节全为 1开放模式下，可以将若干个从站组成的以太网设备、若干主站设备和普通以太网设备连接到一个标准的网关设备上，如图 2-9 所示。在 EtherCAT 网段的首个从设备具有 ISO/IEC8802.3 的 MAC 地址，该地址标识整个网段，用于对整个网段进行寻址，这个从站被称为段从站设备，它能在以太网帧内进行目标地址和源地址的交换工作。主站从站 1从站 2 从站 3主站 1以太网网关设备
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（沈阳计算技术研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP273;TN791

【参考文献】