基于串行总线的多点通讯协议控制器IP核设计及系统验证

发布时间：2017-04-23 19:02

  本文关键词：基于串行总线的多点通讯协议控制器IP核设计及系统验证，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着空间通讯技术的不断发展,FPGA技术在其中扮演着越来越重要的角色,而FPGA之中的IP核更是具有使用灵活、可配置性强、功能稳定、保密性好、成本低的特点,被广泛应用于通讯等多个领域。可见IP核的设计对于整个系统的功能构建十分重要。本文主要针对串行总线的多点通讯协议设计了IP核并进行了系统验证,保证该IP核具备主从机多点通讯控制的功能。本文介绍的多点通讯协议控制器IP核设计及系统验证工作主要分为FPGA逻辑功能设计(主机、从机)、封装接口设计、验证平台的硬件及电缆设计、接口驱动程序设计、验证平台软件设计以及整体联调。其中验证平台的硬件设计了“一主五从”模式来验证IP核的功能正确性,即设计了一个主机(FPGA板卡加PC机)五个从机(FPGA板)的硬件平台。主机内部,FPGA板卡与PC机主板之间通过PXI接口连接,而主机与从机之间则通过RS485串行总线进行连接,满足了多点通讯的物理层架构。接口驱动程序的设计主要解决了主机内部FPGA板卡与PC机主板之间的接口通讯问题,为PXI接口对应的PCI9054驱动程序。IP核的FPGA设计分为封装接口设计和内部逻辑功能设计,其中主机端IP核接口设计提供了主机内部FPGA分别与PC机主板和5个从机通讯的桥梁;从机端则提供了从机与主机间通讯的桥梁。IP核的内部逻辑功能包括多点通讯协议的地址标签位识别、CRC校验、发送指令以及接收应答、功能码演示等。验证平台的软件设计采用了MFC来制作上位机软件进行IP核功能测试,该软件包括发送指令、接收显示等功能。经验证平台各个环节的设计验证以及整体联调测试,该多点通讯协议控制器IP核设计功能完整正确、配置灵活、保密性好、良好的实现了设备间多点通讯的功能,为今后FPGA的相关设计提供了便利条件,同时为星载数据通讯网络的多点通讯功能提供了良好的保障,为空间通讯技术做出了贡献,对于一对多的通讯技术实现有着重要意义。
【关键词】：多点通讯 FPGA IP核 RS485 PCI MFC
【学位授予单位】：中国科学院国家空间科学中心
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 应用背景12-13
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势的分析13-16
• 1.2.1 国外研究现状和发展趋势13-15
• 1.2.2 国内研究现状和发展趋势15-16
• 1.3 本课题的目的和意义16-17
• 1.4 本课题主要研究内容和工作任务17-18
• 1.5 本论文的结构18-19
• 第二章 多点通讯协议控制器IP核及系统验证的需求分析及设计方案19-33
• 2.1 多点通讯协议控制器IP核及系统验证需求分析与相关原理19-26
• 2.1.1 多点通讯协议控制器IP核设计需求分析19-24
• 2.1.2 系统验证需求分析24-25
• 2.1.3 多点通讯协议控制器IP核设计的相关原理25-26
• 2.1.3.1 IP核介绍25
• 2.1.3.2 多点通讯协议控制器IP核设计原理及工作原理25-26
• 2.2 多点通讯协议控制器IP核及系统验证的整体设计方案26-33
• 2.2.1 实验初期方案论证及方案确定26-31
• 2.2.1.1 IP核封装设计方案26-27
• 2.2.1.2 IP核设计方案27-29
• 2.2.1.3 系统验证平台设计方案（硬件）29-30
• 2.2.1.4 系统验证平台设计方案（软件）30-31
• 2.2.2 确定的设计方案下系统整体的结构31-33
• 2.2.2.1 多点通讯协议控制器IP核及系统验证平台整体结构31-33
• 第三章 IP核的系统验证平台硬件设计33-46
• 3.1 系统验证平台的主机硬件设计33-44
• 3.1.1 设计方案33
• 3.1.2 主机硬件PXI1000集成板卡整体结构33-35
• 3.1.3 FPGA主控电路35-39
• 3.1.3.1 FPGA应用背景和FPGA产品对比35
• 3.1.3.2 Spartan-6 FPGA的资源分析35-36
• 3.1.3.3 硬件设计36-39
• 3.1.4 PCI总线通讯电路39-42
• 3.1.4.1 PCI总线介绍39-40
• 3.1.4.2 PCI9054芯片介绍与同类型产品性能对比分析40-41
• 3.1.4.3 PCI9054内部结构和资源41
• 3.1.4.4 硬件电路设计及与FPGA的连接41-42
• 3.1.5 RS485电平转换与驱动电路42-43
• 3.1.6 电源供电电路43-44
• 3.2 系统验证平台的从机硬件设计44-45
• 3.2.1 从机硬件设计方案44
• 3.2.2 从机硬件展示44-45
• 3.3 IP核的主机从机验证平台间电缆设计45-46
• 3.3.1 主机从机接口电平标准45
• 3.3.2 主机从机间电缆的设计制作45-46
• 第四章 多点通讯协议控制器IP核的FPGA逻辑功能设计46-67
• 4.1 多点通讯协议控制器IP核的FPGA逻辑功能代码编写46-61
• 4.1.1 FPGA的常用开发工具和下载工具介绍46-47
• 4.1.2 FPGA的开发注意事项47
• 4.1.3 多点通讯协议控制器IP核的FPGA逻辑代码编写之主从机IP核功能及模块设计47-61
• 4.1.3.1 主机IP核功能模块具体设计——时钟分频模块49-50
• 4.1.3.2 主机IP核功能模块具体设计——PCI9054本地时序模块50-51
• 4.1.3.3 主机IP核功能模块具体设计——主机RS485串口发送模块51-53
• 4.1.3.4 主机IP核功能模块具体设计——主机RS485串口接收模块53-55
• 4.1.3.5 主机IP核功能模块具体设计——CRC校验和从机地址设别模块55-57
• 4.1.3.6 从机IP核功能模块具体设计——从机RS485串口接收模块57-58
• 4.1.3.7 从机IP核功能模块具体设计——从机CRC校验、从机地址识别、功能码处理模块58
• 4.1.3.8 从机IP核功能模块具体设计——从机RS485串口发送模块58-61
• 4.2 多点通讯协议控制器主从机IP核功能模块的仿真验证61-66
• 4.2.1 主机IP核的时钟分频模块仿真验证61
• 4.2.2 主机IP核的PCI9054本地时序模块仿真验证61-62
• 4.2.3 主机IP核的RS485串口发送模块仿真验证62-63
• 4.2.4 主机IP核的RS485串口接收模块仿真验证63-64
• 4.2.5 主机IP核的CRC校验从机地址识别模块仿真验证64-65
• 4.2.6 从机IP核的RS485串口发送模块仿真验证65-66
• 4.3 多点通讯协议控制器IP核的封装接口设计66-67
• 第五章 多点通讯协议控制器IP核验证平台软件设计67-74
• 5.1 主机IP核与PC机通讯的桥梁——PCI9054驱动程序设计67-70
• 5.1.1 常用驱动开发工具介绍和对比67
• 5.1.2 Win Driver驱动开发工具67-69
• 5.1.2.1 Win Driver使用步骤概述67-68
• 5.1.2.2 驱动代码结构图68
• 5.1.2.3 PCI9054驱动程序相关文件说明和FPGA时序68-69
• 5.1.3 驱动程序的API函数69-70
• 5.2 多点通讯协议控制器IP核的验证平台测试软件设计70-74
• 5.2.1 测试软件设计需求70-71
• 5.2.2 测试软件设计71-72
• 5.2.3 测试软件相关说明72-74
• 5.2.3.1 编写详情72-73
• 5.2.3.2 使用控件展示73
• 5.2.3.3 使用注意事项73-74
• 第六章 整体联合调试74-79
• 6.1 整体联合调试工具和准备环节74
• 6.1.1 调试工具74
• 6.1.2 准备环节74
• 6.2 驱动程序调试工具74-75
• 6.3 实际测试连接情况图75
• 6.4 实际测试结果75-79
• 第七章 本文结论79-80
• 7.1 结论与展望79-80
• 致谢80
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文80-81
• 参考文献81-83
• 附录83-89

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