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基于FPGA的Profibus-DP协议研究

作　者: 邱振兴
导　师: 陈在平
学　校: 天津理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 现场总线 DP智能从站可编程逻辑门阵列 SPC3 硬件描述语言
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着工业化的发展，工业生产中的自动化水平也在不断提高，设备间传递的信息量也在迅速增加。为了满足日益增多的信息传输需求，各种不同的现场总线技术相继出现，并不断成熟。PROFIBUS作为一种具有高传输率的总线，一直是现场总线研究领域的热点。为了解决传统基于单片机的PROFIBUS-DP从站数据处理能力不足，可扩展性差的问题，本课题采用具有快速运算能力和良好的可扩展性的FPGA芯片做控制芯器。提出了基于FPGA的从站接口通信模块的设计方案，并设计了硬件电路，编写了软件程序，实现了和主站的通信。本从站模块在高速通信速率和可扩展性方面都比传统实现方式有较大优势。论文首先对PROFIBUS-DP协议进行分析介绍，主要从其组网特点、网络构成、传输方式、存取规范、工作模式、网络配置、数据传输几方面进行介绍，着重研究和分析了DP从站的状态机工作原理。重点阐述了基于EDA自顶向下的设计思想以及采用FPGA+SPC3实现PROFIBUS-DP从站的设计方案，并从软硬两方面对实现方案进行介绍。硬件方面采用FPGA做控制器，并承担大部分的运算任务，充分发挥了FPGA的运算优势。释放出SPC3的能力，使其专注于数据链路层的传输任务，大大提高了工作效率。文中给出了设计逻辑框图和硬件电路图及主要的引脚分配说明。软件方面使用VerilogHDL语言描述，并用Xilinx公司的ISE开发平台软件对程序进行了综合优化，通过时序约束等调试优化了软件的运行效率，文中给出了算法流程图及部分模块的仿真结果。设计中充分考虑了模块的可扩展性，使其拥有了比以往各种从站模块更强大的适应能力。利用实验室的PLC做主站，搭建了单主站单从站的网络系统，对其通信效果进行了测试。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-15
  1.1 现场总线概述  10
  1.2 现场总线的由来  10
  1.3 现场总线的主要优点  10-12
  1.4 PROFIBUS 现场总线国内外研究现状  12-13
  1.5 本课题的研究意义  13
  1.6 本课题的主要工作  13-15
第二章 PROFIBUS 总线技术  15-22
  2.1 ISO 现场总线标准  15-16
  2.2 PROFIBUS 现场总线技术  16-18
    2.2.1 PROFIBUS 总线标准概述  16-17
    2.2.2 PROFIBUS 的协议结构  17-18
  2.3 PROFIBUS-DP 现场总线技术  18-21
    2.3.1 PROFIBUS-DP 的三种设备类型  18
    2.3.2 PROFIBUS-DP 网络的系统组  18-19
    2.3.3 PROFIBUS-DP 的用户数据交换方式  19-20
    2.3.4 PROFIBUS-DP 系统的信息循环时间  20-21
  2.4 本章小结  21-22
第三章 EDA 技术和可编程逻辑器件  22-28
  3.1 电子设计自动化 EDA 技术  22-23
  3.2 可编程逻辑器件  23-25
    3.2.1 可编程逻辑器件 FPGA  23-24
    3.2.2 使用 FPGA 进行系统开发的优势  24-25
  3.3 硬件描述语言及数字系统设计方法  25-27
    3.3.1 硬件描述语言 HDL  25-26
    3.3.2 硬件描述语言 VerilogHDL  26
    3.3.3 利用 VerilogHDL 进行数字系统开发  26-27
  3.4 本章小结  27-28
第四章 PROFIBUS-DP 从站硬件设计  28-37
  4.1 从站接口模块的总体设计方案  28-33
    4.1.1 传统从站接口模块实现方案分析  28-29
    4.1.2 系统总体方案设计  29
    4.1.3 控制器的选型  29-31
    4.1.4 ASIC 通信芯片选型  31-33
  4.2 PROFIBUS-ＤＰ从站硬件设计  33-36
    4.2.1 SPC3 的引脚连接  33-34
    4.2.2 电源电路  34-35
    4.2.3 RS-485 接口电路  35-36
    4.2.4 电源指示电路  36
  4.3 本章总结  36-37
第五章 PROFIBUS-DP 从站软件设计  37-50
  5.1 DP 从站主程序实现  38-40
  5.2 从站模块初始化程序  40-42
  5.3 分频器模块程序  42
  5.4 沿控制器模块程序  42-43
  5.5 FPGA 控制 SPC3 读写时序设计  43-44
  5.6 输入/输出切换程序  44-45
  5.7 从站中断处理程序  45-47
  5.8 GSD 文件编写  47-49
  5.9 本章总结  49-50
第六章从站模块测试  50-56
  6.1 概述  50
  6.2 从站模块的配置  50-51
    6.2.1 程序的综合  50-51
    6.2.2 配置 FPGA  51
  6.3 测试  51-53
    6.3.1 测试系统硬件结构  51-52
    6.3.2 利用 STEP7 软件组态 PROFIBUS 总线系统  52-53
  6.4 测试结果分析  53-55
    6.4.1 电源指示测试  53
    6.4.2 通信测试分析  53-55
  6.5 本章总结  55-56
第七章总结及展望  56-58
  7.1 总结  56-57
    7.1.1 工作总结  56
    7.1.2 几点体会  56-57
  7.2 展望  57-58
参考文献  58-60
发表论文和科研情况说明  60-61
致谢  61-62

基于FPGA的Profibus-DP协议研究

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