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基于ACM的数控串行总线的研究与实现

作　者: 雷雯
导　师: 林浒
学　校: 中国科学院研究生院（沈阳计算技术研究所）
专　业: 计算机系统结构
关键词: 异步通讯机制数控系统现场总线 SOPC软/硬件协同设计
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 39次
引　用: 1次
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内容摘要

现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点,受到国内外自动化设备制造商和用户越来越强烈的关注。现场总线控制系统的出现,将给自动化领域带来又一次革命,其深度和广度将超过历史的任何一次,从而开创自动化的新纪元。而现今,存在着40多种现场总线规范,多重标准和不透明的设计使得应用和更换现场总线代价巨大。同时,现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性,因此实现现场总线技术的统一成为所有用户的愿望。对于异步通讯机制的研究学术界进行了大量相关的工作。研究内容基本上包括ACM的算法设计、ACM的建模仿真分析、ACM的基本特性分析、ACM的硬件综合实现以及其在系统设计中的应用等方面的内容。但是这种技术在数控系统中的应用始终没有找到一个合适的切入点,课题首次将异步通讯机制应用于数控系统的开发中。同时,面临开放式数控系统实时性和开放性要求,以及对异步通讯机制理论的工程意义探索研究,我们采用异步通讯机制的系统互连架构分析方法来分析设计数控系统现场总线抽象模型,并应用SOPC软/硬件协同设计的系统开发方法来实现现场总线。因此,本论文的主要工作是:在理论研究方面,研究了异步通讯机制的本质、分类方法以及相关特性;大胆提出了应用ACM的系统互连架构建模方法,设计数控系统现场总线抽象模型的建模方法。在工程实践方面,采用SOPC软/硬件协同设计方法和FPGA工程的开发流程;应用Quartus II,SingnalTap II和Nios II IDE等嵌入式EDA开发工具进行数控系统现场总线系统功能的实现,分别实现了基于异步通讯机制的数控系统现场总线的物理层,数据链路层和应用层协议。最后,通过硬件综合,仿真试验验证了基于ACM的数控系统串行总线AFB在数控系统中的良好通讯功能,是应用SOPC技术开发数控现场总线的一个良好实例。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
引言  9-11
第一章绪论  11-17
  1.1 数控系统现场总线  11-13
    1.1.1 现场总线国内外研究现状  11-12
    1.1.2 现场总线存在问题  12-13
  1.2 异步通讯机制  13-14
    1.2.1 基于异步通讯机制的设计方法  13-14
    1.2.2 异步通讯机制设计研究现状  14
  1.3 SOPC 开发方法及技术特点  14-15
  1.4 课题的研究目的及意义  15
  1.5 研究内容及文章的组织结构  15-17
第二章 AFB 总线整体设计  17-35
  2.1 异步通讯机制  17-23
    2.1.1 异步通讯的本质  17-19
    2.1.2 模块间的异步通讯方式  19-20
    2.1.3 异步通讯机制的分类  20-21
    2.1.4 异步通讯机制的相关特性  21-23
  2.2 基于ACM 的系统互连架构设计  23-26
    2.2.1 互连架构设计原理  23-25
    2.2.2 互连架构设计模型  25-26
  2.3 AFB 的系统互连架构设计  26-28
    2.3.1 AFB 的系统互连架构引入  26
    2.3.2 AFB 的系统互连架构模型  26-28
    2.3.3 AFB 的系统互连架构特点  28
  2.4 基于SOPC 的软硬件协同设计方法  28-34
    2.4.1 传统的嵌入式系统设计方法的局限  28-30
    2.4.2 基于SOPC 的软硬件协同设计方法  30-34
  2.5 AFB 总线软硬件协同设计  34
  2.6 本章小结  34-35
第三章 AFB 总线物理层设计  35-50
  3.1 OSI 参考模型  35-36
  3.2 AFB 总线协议  36-39
    3.2.1 AFB 总线分层结构  36-38
    3.2.2 总线数值  38
    3.2.3 非破坏性总线仲裁  38
    3.2.4 AFB 总线特点  38-39
  3.3 AFB 总线微控制器选择  39-43
    3.3.1 NIOS II 软核处理器  40-43
    3.3.2 Avalon 总线结构  43
  3.4 AFB 物理层硬件实现  43-49
    3.4.1 AFB 总线的开放板资源介绍  43-45
    3.4.2 NIOS 系统模块配置  45-46
    3.4.3 系统锁相环设计  46
    3.4.4 Avalon 总线AFB 外设接口设计  46-48
    3.4.5 AFB 总线接口通信子板设计  48-49
  3.5 本章小结  49-50
第四章 AFB 总线数据链路层设计  50-72
  4.1 AFB 总线 IP Core 整体结构  50-51
  4.2 AFB 总线工作流程概述  51-52
    4.2.1 AFB 总线接收过程概述  51-52
    4.2.2 AFB 总线发送过程概述  52
  4.3 位流处理模块设计  52-61
    4.3.1 接收模块设计  53-56
    4.3.2 发送模块设计  56-58
    4.3.3 错误帧和超载帧模块设计  58-61
  4.4 错误管理模块设计  61-64
    4.4.1 rxerr 计数流程  62-63
    4.4.2 txerr 计数流程  63-64
    4.4.3 总线控制/检测电路  64
  4.5 位定时/同步模块设计  64-69
    4.5.1 端口信号设计  65
    4.5.2 位配置寄存器  65-66
    4.5.3 波特率预定标  66
    4.5.4 同步过程  66-69
  4.6 接收/发送缓冲模块设计  69-71
    4.6.1 接收电路设计  69-70
    4.6.2 发送电路设计  70-71
  4.7 本章小结  71-72
第五章 AFB 总线应用层设计  72-78
  5.1 AFB 总线寄存器文件  72-74
  5.2 AFB 总线应用层发送/接收节点流程  74-76
  5.3 AFB 总线应用层展望  76-77
  5.4 本章小结  77-78
第六章 AFB 总线仿真与综合结果  78-83
  6.1 仿真  78
  6.2 综合结果  78-81
  6.3 AFB 总线运行情况  81-82
  6.4 本章小结  82-83
结束语  83-85
参考文献  85-87
发表文章  87-88
致谢  88

基于ACM的数控串行总线的研究与实现

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