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基于SOPC的嵌入式EPA协议栈设计与开发

作　者: 吴虹岑
导　师: 向晓波；王平
学　校: 重庆邮电大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: EPA SOPC Nios II IP Core
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 33次
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内容摘要


EPA现场设备是广泛应用于工业现场,实现信号采集、变换、处理、分析、存储与传输,并对生产过程进行控制的重要工具,而嵌入式EPA协议栈是EPA现场设备的重要组成部分,因此研究与开发基于嵌入式的EPA协议栈对于验证EPA总线标准和实现EPA控制系统有着非常重要的意义。传统的嵌入式EPA协议栈是基于单片机或ARM开发,这种开发方式,不仅开发周期长,资源浪费严重,而且可移植性、可升级性及可扩展性较差。因此,为了解决上述问题,论文采用SOPC技术设计开发EPA协议栈,以便于减少芯片的数量和增加系统的可编程、可升级性。本文主要内容包括:①在对EPA标准及其通信特点深入理解和分析的基础上,设计并实现了可移植的EPA协议栈,包括EPA精确时间同步、链路层确定性调度等关键技术。②研究了SOPC中的软硬件协同设计技术及自顶向下(TOP-DOWN)的设计思想,根据EPA现场设备的通信要求,提出了实现EPA协议栈所需要的最小硬件系统设计方案,并在Ateral公司生产的EP1C12Q240C8芯片上实现了该最小系统。③为了解决在传统51芯片中串口通信资源有限的问题,论文采用Verilog硬件描述语言设计完成了UART IP Core,相对于51芯片串口资源,本文设计的串口集波特率发生器和收发模块于一体,节省了芯片中的定时器资源。④根据Nios II软核的特点,提出并部分实现了基于Nios II软核的EPA协议栈设计方案,在该方案中采用μC/OS-II操作系统+LWIP(Light Weight IP)协议栈的设计模式作为EPA协议栈的软件运行平台,以提高系统软件的实时性及可移植性。最后,在实现了EPA协议栈和SOPC平台的基础上,设计了相关测试方案,测试结果表明本文设计开发的EPA协议栈符合EPA标准,SOPC平台运行稳定,以上两部分工作的完成为在FPGA芯片中实现EPA协议栈奠定了基础。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章 绪论  8-14
  1.1 现场总线技术  8-10
    1.1.1 现场总线的产生和发展  8-9
    1.1.2 几种流行的现场总线  9-10
  1.2 基于以太网的EPA 通信标准  10-11
    1.2.1 EPA 概述  10
    1.2.2 EPA 技术特点  10-11
  1.3 本文的研究背景及意义  11-12
  1.4 研究内容和论文结构  12-13
    1.4.1 论文研究内容  12-13
    1.4.2 论文结构  13
  1.5 本章小结  13-14
第二章 EPA 标准及协议栈设计方案  14-19
  2.1 EPA 系统结构  14-17
    2.1.1 物理层与数据链路层  15
    2.1.2 网络层与传输层  15
    2.1.3 应用层  15-16
    2.1.4 应用进程  16-17
    2.1.5 EPA 通信模型  17
  2.2 系统整体设计方案  17-18
  2.3 本章小结  18-19
第三章 基于51 平台的EPA 通信协议栈的开发  19-38
  3.1 系统总体设计  19-23
    3.1.1 EPA 报文封装过程  20
    3.1.2 EPA 通信协议状态转移  20-21
    3.1.3 EPA 协议栈设计  21-23
  3.2 EPA 通信协议栈各子模块设计与实现  23-37
    3.2.1 EPA 套接字映射实体  23-25
    3.2.2 EPA 应用访问实体  25
    3.2.3 EPA 系统管理实体  25-26
    3.2.4 EPA 管理信息库  26-28
    3.2.5 时钟同步模块  28-31
    3.2.6 通信调度模块  31-37
  3.3 本章小结  37-38
第四章 基于SOPC 平台的EPA 协议栈的开发  38-66
  4.1 系统总体设计  38
  4.2 SOPC 平台及相关技术  38-42
    4.2.1 SOPC 系统及组件  39-40
    4.2.2 Nios II 软核处理器概述  40
    4.2.3 Avalon 总线  40-41
    4.2.4 外围设备  41
    4.2.5 基于SOPC 软硬件协同设计流程  41-42
  4.3 SOPC 硬件平台设计与实现  42-48
    4.3.1 EPA 最小硬件系统实现  43-45
    4.3.2 时钟电路设计与实现  45-47
    4.3.3 系统所占片上资源  47-48
  4.4 UART IP Core 设计与实现  48-54
    4.4.1 IP 核设计方法  48-49
    4.4.2 UART 总体结构设计  49-50
    4.4.3 波特率发生器  50-51
    4.4.4 UART 发送模块  51-52
    4.4.5 URAT 接收模块  52-54
  4.5 SOPC 软件平台设计与实现  54-65
    4.5.1 Nios II IDE 工程结构  54-55
    4.5.2 软件结构设计  55
    4.5.3 设备驱动实现  55-60
    4.5.4 μC/OS-II 的应用  60-63
    4.5.5 LWIP 的应用  63-65
  4.6 本章小结  65-66
第五章 EPA 协议栈测试  66-75
  5.1 测试系统组成  66-67
  5.2 EPA 服务一致性测试  67-68
  5.3 EPA 协议栈应用案例  68-70
  5.4 基于SOPC 平台的网络测试  70-71
  5.5 UART 核的仿真测试  71-75
    5.5.1 波特率发生器验证  71-72
    5.5.2 发送模块验证  72-73
    5.5.3 接收模块验证  73-75
第六章 结论和下一步的工作  75-77
  6.1 总结  75-76
  6.2 下一步的工作  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-80
附录  80

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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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