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基于FPGA的DCS数据转发系统设计

作　者: 黄娜娜
导　师: 石为人; 刘渝新
学　校: 重庆大学
专　业: 控制工程
关键词: DCS FPGA USB总线 RS485总线 双端口RAM
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


DCS（Distributed control system）分布式控制系统发展到今天，广泛的应用于石油、化工、能源、冶金、轻功、环保、军工、核工业、航空航天等行业。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，所以对数据转发系统的研究是很有必要的，这样可以防止数据的丢失，实现更有效的数据通信。数字存储器是集成电路产品中的一个主要门类，主要用来存放程序、指令、数据（记忆）等信息，同时根据需要能读出（取出）或既能读出又能写入（存入）各种数据。由于DCS系统通过工业组态能实现不同领域的应用，这就要求我们设计的数据转发系统具有通用性和可扩展性。基于此，本论文就对DCS数据转发系统进行了研究。根据项目的需要，设计了一个用于控制站与各个通讯卡的数据转发系统。本论文的主要工作如下：首先，对该论文的研究背景DCS分布式控制系统进行了论述，并对数据存储转发系统的研究意义进行了概要介绍。其次，对本论文的相关技术进行了概述，介绍了FPGA基本结构、器件的优点、设计流程和Verilog HDL描述语言，还介绍了USB总线和RS485总线。再次，对数据转发系统的硬件电路进行了设计，包括：数据转发系统架构设计，FPGA、USB、RS485以及各种电源转换芯片的选型，接口及外围电路的设计。最后，FPGA数据转发系统程序设计。实现了FPGA与USB接口模块的设计（包括，USB从属模式下端点寄存器的配置，从属FIFO模式下同步“写”操作和同步“读”操作），实现了FPGA与RS485接口模块的设计（包括，波特率发生器、发送控制模块、接收控制模块的实现），实现了FPGA转发系统中存储转发模块双端口RAM的设计（包括，IP核利用，双端口RAM数据存取工作原理，双端口RAM数据存取竞争现象处理，双端口RAM的实现），完成了转发系统通讯协议的设计（包括，USB通信协议设计，RS485通信协议设计）。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-13
  1.1 DCS 集散控制系统  8-10
  1.2 课题来源及研究意义  10-11
    1.2.1 课题来源  10-11
    1.2.2 研究意义  11
  1.3 论文研究内容和组织结构  11-13
    1.3.1 论文研究内容  11-12
    1.3.2 论文组织结构  12-13
2 论文相关技术概述  13-24
  2.1 引言  13
  2.2 FPGA 概述  13-19
    2.2.1 FPGA 基本结构  13-16
    2.2.2 FPGA 器件的优点  16
    2.2.3 FPGA 设计流程  16-18
    2.2.4 Verilog HDL 描述语言  18-19
  2.3 USB 概述  19-21
  2.4 RS485 概述  21-22
  2.5 小结  22-24
3 FPGA 数据转存系统电路设计  24-38
  3.1 引言  24
  3.2 FPGA 数据存储系统架构  24-25
  3.3 FPGA 配置电路设计  25-29
    3.3.1 FPGA 选型  25-27
    3.3.2 FPGA 管脚设计  27-28
    3.3.3 FPGA 下载配置与调试接口电路设计  28-29
  3.4 USB 接口电路设计  29-33
    3.4.1 USB 选型  29-31
    3.4.2 端点缓冲配置  31-32
    3.4.3 接口电路设计  32-33
  3.5 RS485 接口电路设计  33-35
    3.5.1 RS485 选型  33-34
    3.5.2 接口电路设计  34-35
  3.6 电源转换电路设计  35-36
  3.7 小结  36-38
4 FPGA 数据转存系统程序设计  38-58
  4.1 引言  38
  4.2 FPGA 与 USB 接口模块设计  38-43
    4.2.1 FPGA 与 USB 连接框图  38-40
    4.2.2 从属 FIFO 模式下同步“写”操作  40-42
    4.2.3 从属 FIFO 模式下同步“读”操作  42-43
  4.3 FPGA 与 RS485 接口模块设计  43-50
    4.3.1 FPGA 与 RS485 连接框图  43-44
    4.3.2 波特率发生器  44-46
    4.3.3 FPGA 中发送控制模块  46-48
    4.3.4 FPGA 中接收控制模块  48-50
  4.4 FPGA 转存系统双端口 RAM 设计  50-55
    4.4.1 竞争现象处理  51
    4.4.2 双端口 RAM 设计  51-55
  4.5 FPGA 转存系统通讯协议设计  55-57
    4.5.1 USB 通信协议设计  55-56
    4.5.2 RS485 通信协议设计  56-57
  4.6 小结  57-58
5 结论及展望  58-59
  5.1 结论  58
  5.2 后续工作展望  58-59
致谢  59-60
参考文献  60-62

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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