基于FPGA的DCS以太网通讯系统设计
发布时间：2021-07-20 14:30
DCS（Distributed control system）分布式控制系统发展到今天,广泛应用于石油、化工、能源、冶金、环保、军工、核工业等行业。随着系统功能的增多,DCS控制系统的分布式及分层管理特点越来越明显,系统的数据通信量也越来越大,所以对于其通信系统的研究就很有必要的,这样可以防止数据的丢失,实现更有效的数据通信。由于DCS系统通过工业组态能实现不同领域的应用,这就要求设计的数据转发系统具有通用性和可扩展性。基于此,本文就对DCS数据转发系统进行了研究。本文以核电站现场控制站为研究背景,根据项目的需要,设计了基于可编程逻辑器件的千兆以太网通信系统,目前该系统已经在国产DCS中得到了应用。本文对论文的研究背景DCS分布式控制系统进行了论述,并对论文的相关技术进行了概述,包括FPGA基本机构、设计流程和Verilog描述语言,还介绍了12C总线和RS485总线。本系统用于现场控制站与各个通讯卡的数据转发系统,用以处理千兆以太网和光纤之间的数据转换,同时基于FPGA保密性较差的特点,对负责数据转发和状态切换的光旁通模块的FPGA进行加密,防止数据的丢失和被窃取。
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 研究意义
1.3 内容和要求
第二章 FPGA基本结构及设计流程
2.1 FPGA概述
2.1.1 FPGA发展
2.1.2 FPGA基本结构
2.1.3 FPGA与CPLD的区别
2.2 FPGA的编程方式
2.3 FPGA类型简介
2.3.1 Altera公司CPLD/FPGA类型简介
2.3.2 FPGA器件命名规则
2.4 硬件描述语言
2.4.1 VHDL
2.4.2 Verilog HDL
2.4.3 VHDL与Verilog HDL的比较
2.5 EDA仿真工具
2.6 FPGA设计流程
2.6.1 设计输入
2.6.2 功能仿真(RTL仿真)
2.6.3 分析和综合仿真
2.6.4 布局布线
2.6.5 时序分析
2.6.6 时序仿真(门级仿真)
2.6.7 PC板仿真及测试
2.7 数字电路设计中的几个基本概念
2.7.1 时序分析基本参数
2.7.2 存储元件
2.8 常用FPGA设计思想
2.8.1 速度与面积互换原则
2.8.2 串并转换
2.8.3 乒乓操作
2.9 时序约束与时序分析
第三章 千兆网通信系统设计
3.1 DCS集散控制系统
3.2 FPGA技术在核电领域的优势
3.2.1 FPGA技术在核电领域的应用概述
3.2.2 FPGA技术应用于核电站的优势
3.3 数字化核安全级控制保护系统
3.4 保护系统设计准则
3.4.1 单一故障准则
3.4.2 冗余性
3.4.3 独立性
3.4.4 纵深防御和多样性
3.4.5 故障安全
3.5 系统框架
3.6 光旁通模块
3.6.1 光旁通模块功能简介
3.6.2 模块设置
3.6.3 switch模块
3.6.4 status_collector模块
3.6.5 MⅡ管理(MⅡM)接口
3.6.6 clock_reset_gen模块
3.6.7 I~2C总线
3.6.8 RS485接口
3.7 千兆以太网
3.7.1 GMⅡ环网设计
3.8 网络通信单元
3.8.1 网络通信单元简介
3.8.2 通信协议(SN1 SN2 SN3 SN4)介绍
3.8.3 电气隔离
3.8.4 光旁通模块与通信模块间RS485通信接口定义
3.9 千兆以太网光纤转换单元
3.9.1 千兆以太网光纤转换设计方案
3.9.2 模块内部逻辑及接口定义
3.10 FPGA加密
3.10.1 SHA-1算法介绍
3.10.2 加密设计的基本原理
3.10.3 I~2C_Interface模块设计
3.10.4 encrypt_engine模块设计
第四章 硬件设计
4.1 引言
4.2 FPGA下载配置与调试接口
4.3 千兆以太网光纤转换模块硬件设计
4.3.1 器件选型
4.3.2 光纤收发模块芯片描述
4.3.3 千兆以太网/光纤数据格式转换FPGA实现
4.4 光旁通模块接口电路设计
4.4.1 器件选型
4.4.2 模块供电设计
4.4.3 时钟设计
4.4.4 FPGA设计
4.4.5 千兆通信网口设计
4.4.6 外设接口设计
4.5 FPGA加密电路设计
4.5.1 DS2460
4.5.2 I~2C通信接口
4.5.3 应用电路原理图
4.6 小结
第五章 时序仿真
5.1 功能仿真设计方案
5.2 时序仿真总体设计
5.3 千兆以太网光纤转换模块时序仿真
5.3.1 千兆以太网收发时序设计
5.3.2 光纤收发时序设计
5.4 光旁通模块状态转换时序设计
5.4.1 switch模块时序图
5.4.2 rs485时序图
5.5 FPGA加密时序设计
5.6 小结
第六章 结论及展望
6.1 结论
6.2 后续工作展望
致谢
参考文献
附录A 攻读硕士学位期间发表软著
本文编号：3293001
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 研究意义
1.3 内容和要求
第二章 FPGA基本结构及设计流程
2.1 FPGA概述
2.1.1 FPGA发展
2.1.2 FPGA基本结构
2.1.3 FPGA与CPLD的区别
2.2 FPGA的编程方式
2.3 FPGA类型简介
2.3.1 Altera公司CPLD/FPGA类型简介
2.3.2 FPGA器件命名规则
2.4 硬件描述语言
2.4.1 VHDL
2.4.2 Verilog HDL
2.4.3 VHDL与Verilog HDL的比较
2.5 EDA仿真工具
2.6 FPGA设计流程
2.6.1 设计输入
2.6.2 功能仿真(RTL仿真)
2.6.3 分析和综合仿真
2.6.4 布局布线
2.6.5 时序分析
2.6.6 时序仿真(门级仿真)
2.6.7 PC板仿真及测试
2.7 数字电路设计中的几个基本概念
2.7.1 时序分析基本参数
2.7.2 存储元件
2.8 常用FPGA设计思想
2.8.1 速度与面积互换原则
2.8.2 串并转换
2.8.3 乒乓操作
2.9 时序约束与时序分析
第三章 千兆网通信系统设计
3.1 DCS集散控制系统
3.2 FPGA技术在核电领域的优势
3.2.1 FPGA技术在核电领域的应用概述
3.2.2 FPGA技术应用于核电站的优势
3.3 数字化核安全级控制保护系统
3.4 保护系统设计准则
3.4.1 单一故障准则
3.4.2 冗余性
3.4.3 独立性
3.4.4 纵深防御和多样性
3.4.5 故障安全
3.5 系统框架
3.6 光旁通模块
3.6.1 光旁通模块功能简介
3.6.2 模块设置
3.6.3 switch模块
3.6.4 status_collector模块
3.6.5 MⅡ管理(MⅡM)接口
3.6.6 clock_reset_gen模块
3.6.7 I~2C总线
3.6.8 RS485接口
3.7 千兆以太网
3.7.1 GMⅡ环网设计
3.8 网络通信单元
3.8.1 网络通信单元简介
3.8.2 通信协议(SN1 SN2 SN3 SN4)介绍
3.8.3 电气隔离
3.8.4 光旁通模块与通信模块间RS485通信接口定义
3.9 千兆以太网光纤转换单元
3.9.1 千兆以太网光纤转换设计方案
3.9.2 模块内部逻辑及接口定义
3.10 FPGA加密
3.10.1 SHA-1算法介绍
3.10.2 加密设计的基本原理
3.10.3 I~2C_Interface模块设计
3.10.4 encrypt_engine模块设计
第四章 硬件设计
4.1 引言
4.2 FPGA下载配置与调试接口
4.3 千兆以太网光纤转换模块硬件设计
4.3.1 器件选型
4.3.2 光纤收发模块芯片描述
4.3.3 千兆以太网/光纤数据格式转换FPGA实现
4.4 光旁通模块接口电路设计
4.4.1 器件选型
4.4.2 模块供电设计
4.4.3 时钟设计
4.4.4 FPGA设计
4.4.5 千兆通信网口设计
4.4.6 外设接口设计
4.5 FPGA加密电路设计
4.5.1 DS2460
4.5.2 I~2C通信接口
4.5.3 应用电路原理图
4.6 小结
第五章 时序仿真
5.1 功能仿真设计方案
5.2 时序仿真总体设计
5.3 千兆以太网光纤转换模块时序仿真
5.3.1 千兆以太网收发时序设计
5.3.2 光纤收发时序设计
5.4 光旁通模块状态转换时序设计
5.4.1 switch模块时序图
5.4.2 rs485时序图
5.5 FPGA加密时序设计
5.6 小结
第六章 结论及展望
6.1 结论
6.2 后续工作展望
致谢
参考文献
附录A 攻读硕士学位期间发表软著
本文编号：3293001
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/3293001.html
