Modbus协议通信节点的FPGA实现
发布时间：2021-05-18 07:35
计算机技术的飞速发展使得工业由电气化与自动化时代进入了电子信息化时代以及将来的工业4.0时代。工厂大量采用由嵌入式系统等自动化信息技术控制的机械设备来进行产品的生产和制造,使得工厂的生产效率、产品的合格率和机械设备的寿命都得到了前所未有的提高。为了改善工厂中以太网设备的不易扩充、反应不够及时、硬件设备不易更换和接口速度受限等现象,本文阐述了以FPGA为硬件的Modbus协议通信节点的软硬件实现。本文首先对Modbus通信协议的发展状况和研究背景进行了概述,对当今世界上现场总线的发展方向作了简要的论述。同时说明了Modbus模型的原理和应用领域,详细介绍了Modbus协议的传输方式、报文帧结构、主从机通信和定义功能码的实现方式。随后对FPGA和CPLD的优缺点做出了说明,阐述了选择FPGA作为开发板的理由。硬件设计方面本文选用了型号为DE2的FPGA开发板作为平台,它是Altera公司的产品,使用的是基于Cyclone II平台的2C35F672C6芯片。在FPGA开发板上构建了基于Nios II IDE软件的SOPC片上系统,通过自定义总线加入了UART异步收发模块,同时支持波特率、奇...
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 现场总线概述
1.3 Modbus协议的概述
1.3.1 modbus协议的诞生和发展
1.3.2 modbus协议的模型
1.3.3 modbus协议的应用领域和特点
1.4 FPGA概述
1.4.1 CPLD和FPGA的异同
1.4.2 FPGA的特点
1.4.3 FPGA的体系结构
1.5 本论文的主要研究内容
第2章 MODBUS通信协议的基本原理与实现方式
2.1 引言
2.2 Modbus协议基本原理
2.2.1 通过Modbus传输信息
2.2.2 通过其它网络传输信息
2.2.3 主从机查询和回应周期
2.2.4 Modbus主从机状态图
2.3 Modbus通信协议的报文
2.4 Modbus协议的两种传输方式
2.4.1 RTU模式
2.4.2 ASCII模式
2.5 Modbus功能码及其定义
2.6 FPGA开发流程
2.7 本章小结
第3章 系统的硬件设计
3.1 引言
3.2 UART的设计
3.2.1 Baud rate发生模块
3.2.2 UART接收模块
3.2.3 UART发送模块
3.3 Nios II系统搭建
3.3.1 Nios II处理器
3.3.2 Flash搭建
3.3.3 添加外部SDRAM
3.3.4 I/O设置
3.3.5 设置UART接口
3.3.6 设置定时器
3.4 本章小结
第4章 Modbus的软件实现
4.1 引言
4.2 Modbus软件实现
4.2.1 定时器
4.2.2 UART的开发
4.2.3 消息处理
4.2.4 回调函数
4.3 Modbus测试程序
4.4 本章小结
第5章 仿真测试和调试
5.1 引言
5.2 测试准备
5.2.1 测试要用的软件和硬件
5.2.2 测试思路
5.3 仿真和测试
5.3.1 UART仿真图
5.3.2 UART测试的示波器图
5.4 软件测试
5.4.1 UART收发数据
5.4.2 定时器
5.5 系统测试
5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间所发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ModBus协议的负载模拟系统设计[J]. 单星,林晓焕,郭丹蕊,汪通. 国外电子测量技术. 2015(07)
[2]基于Modbus TCP协议的清洗小车监控系统研究[J]. 顾曙光,张茂青,刘文杰,王清. 机电信息. 2015(09)
[3]单片机总线技术结合Modbus-RTU协议的智能仪表通讯[J]. 魏东,潘瑞锋,王克成. 辽宁科技大学学报. 2015(01)
[4]CAN-Modbus/TCP协议转换的设计与实现[J]. 景柏豪,沈孟良,唐晔钧. 计算机工程与设计. 2013(05)
[5]基于单片机的Modbus TCP转换器设计[J]. 张军,叶海武. 低压电器. 2013(06)
[6]基于STM32F103和MODBUS的矿用DTU测试系统设计[J]. 何雅琴,张飞. 煤矿机械. 2013(02)
[7]基于Modbus协议的89C51单片机与台达触摸屏通讯系统研究[J]. 尹成明,陆倩. 煤矿机械. 2013(01)
[8]基于Modbus总线协议的工业锅炉监控系统设计[J]. 王家国,田芮. 化工自动化及仪表. 2013(01)
[9]西门子PLC与英格索兰压风机之间的Modbus通信[J]. 孟彬,王传松,孙晋永,黄庆龙,卫炜,程梁峰. 工矿自动化. 2013(01)
[10]Modbus协议在直流牵引供电系统中的应用[J]. 孔通,吴鹏. 船电技术. 2012(10)
本文编号：3193410
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 现场总线概述
1.3 Modbus协议的概述
1.3.1 modbus协议的诞生和发展
1.3.2 modbus协议的模型
1.3.3 modbus协议的应用领域和特点
1.4 FPGA概述
1.4.1 CPLD和FPGA的异同
1.4.2 FPGA的特点
1.4.3 FPGA的体系结构
1.5 本论文的主要研究内容
第2章 MODBUS通信协议的基本原理与实现方式
2.1 引言
2.2 Modbus协议基本原理
2.2.1 通过Modbus传输信息
2.2.2 通过其它网络传输信息
2.2.3 主从机查询和回应周期
2.2.4 Modbus主从机状态图
2.3 Modbus通信协议的报文
2.4 Modbus协议的两种传输方式
2.4.1 RTU模式
2.4.2 ASCII模式
2.5 Modbus功能码及其定义
2.6 FPGA开发流程
2.7 本章小结
第3章 系统的硬件设计
3.1 引言
3.2 UART的设计
3.2.1 Baud rate发生模块
3.2.2 UART接收模块
3.2.3 UART发送模块
3.3 Nios II系统搭建
3.3.1 Nios II处理器
3.3.2 Flash搭建
3.3.3 添加外部SDRAM
3.3.4 I/O设置
3.3.5 设置UART接口
3.3.6 设置定时器
3.4 本章小结
第4章 Modbus的软件实现
4.1 引言
4.2 Modbus软件实现
4.2.1 定时器
4.2.2 UART的开发
4.2.3 消息处理
4.2.4 回调函数
4.3 Modbus测试程序
4.4 本章小结
第5章 仿真测试和调试
5.1 引言
5.2 测试准备
5.2.1 测试要用的软件和硬件
5.2.2 测试思路
5.3 仿真和测试
5.3.1 UART仿真图
5.3.2 UART测试的示波器图
5.4 软件测试
5.4.1 UART收发数据
5.4.2 定时器
5.5 系统测试
5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间所发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ModBus协议的负载模拟系统设计[J]. 单星,林晓焕,郭丹蕊,汪通. 国外电子测量技术. 2015(07)
[2]基于Modbus TCP协议的清洗小车监控系统研究[J]. 顾曙光,张茂青,刘文杰,王清. 机电信息. 2015(09)
[3]单片机总线技术结合Modbus-RTU协议的智能仪表通讯[J]. 魏东,潘瑞锋,王克成. 辽宁科技大学学报. 2015(01)
[4]CAN-Modbus/TCP协议转换的设计与实现[J]. 景柏豪,沈孟良,唐晔钧. 计算机工程与设计. 2013(05)
[5]基于单片机的Modbus TCP转换器设计[J]. 张军,叶海武. 低压电器. 2013(06)
[6]基于STM32F103和MODBUS的矿用DTU测试系统设计[J]. 何雅琴,张飞. 煤矿机械. 2013(02)
[7]基于Modbus协议的89C51单片机与台达触摸屏通讯系统研究[J]. 尹成明,陆倩. 煤矿机械. 2013(01)
[8]基于Modbus总线协议的工业锅炉监控系统设计[J]. 王家国,田芮. 化工自动化及仪表. 2013(01)
[9]西门子PLC与英格索兰压风机之间的Modbus通信[J]. 孟彬,王传松,孙晋永,黄庆龙,卫炜,程梁峰. 工矿自动化. 2013(01)
[10]Modbus协议在直流牵引供电系统中的应用[J]. 孔通,吴鹏. 船电技术. 2012(10)
本文编号：3193410
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/xinxigongchenglunwen/3193410.html
