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基于FPGA的PROFIBUS-DP从站通信控制芯片的设计

作　者: 俞跃
导　师: 王安娜
学　校: 东北大学
专　业: 电路与系统
关键词: PROFIBUS-DP总线从站通信控制芯片 Verilog硬件描述语言 FPGA 系统级验证
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准,PROFIBUS-DP作为PROFIBUS的一个分支,以其成熟性、实时性、可靠性和稳定性,在全球范围内的工业自动化领域获得了最为广泛的应用。因此研究和开发具有自主知识产权的PROFIBUS-DP通信芯片,对打破国外技术垄断具有重要的意义,该项技术有着广阔的应用前景。本文以中国科学院沈阳自动化研究所"PROFIBUS-DP智能从站开发”项目为研究背景,深入研究了PROFIBUS-DP的通用协议规范,分析了PROFIBUS-DP系统组成,给出了PROFIBUS-DP规范的协议架构。提出了一种新型的采用FPGA器件来实现PROFIBUS-DP从站通信控制器功能的技术解决方案。依据协议专用ASIC的体系结构,构造了基于FPGA器件的PROFIBUS-DP从站控制器的通信模型。设计了PROFIBUS-DP从站控制芯片的模块结构,给出了如何通过硬件描述语言Verilog来实现从站通信控制器各个功能模块逻辑功能的方案,将分析得到的参数及其相互关系用硬件描述语言进行编程,进行了仿真实验,给出了所设计模块的仿真结果,验证了模块设计的正确性。将下载了程序的FPGA器件与外部微控制器连接起来,通过DP通信端口连入到PROFIBUS-DP,总线测试环境中进行了一致性测试,通过了实际系统级验证。最终实现了一个具有自主知识产权的PROFIBUS-DP从站通信控制器IP功能核,搭建了一个完整的PROFIBUS-DP从站。为国内自主开发设计具有PROFIBUS-DP通信功能的ASIC芯片做了尝试性的研究,为某些特殊领域的应用提供了备选方案。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-17
  1.1 课题研究背景  11-12
  1.2 PROFIBUS-DP技术发展现状  12-14
  1.3 课题研究的目的及意义  14-15
  1.4 论文的主要工作  15-17
第2章 PROFIBUS-DP的协议规范  17-33
  2.1 PROFIBUS-DP的层次结构和系统组成  17-18
  2.2 PROFIBUS-DP的协议结构  18-19
  2.3 PROFIBUS-DP的物理层  19-21
  2.4 PROFIBUS-DP的数据链路层  21-28
    2.4.1 帧字符和帧格式  21-25
    2.4.2 FDL层的四种服务  25-28
    2.4.3 现场总线第1/2层管理  28
  2.5 PROFIBUS-DP用户层规范  28-31
    2.5.1 DDLM功能  29-31
    2.5.2 从站用户接口  31
  2.6 本章小结  31-33
第3章 Verilog HDL与FPGA  33-39
  3.1 Verilog HDL硬件描述语言  33-35
  3.2 FPGA的结构及应用  35-38
  3.3 本章小节  38-39
第4章从站通信控制芯片的设计  39-65
  4.1 PROFIBUS-DP从站的结构  39
  4.2 PROFIBUS-DP从站通信控制芯片的模块化结构  39-40
  4.3 PROFIBUS-DP从站通信控制芯片的实现  40-54
    4.3.1 时钟分频模块  40-46
    4.3.2 UART接收模块  46-50
    4.3.3 UART发送模块  50-53
    4.3.4 串口接收和发送缓冲模块  53-54
  4.4 从站通信控制芯片的控制核心——微序列器  54-56
  4.5 协议处理模块的功能及实现  56-62
  4.6 协议处理模块的仿真和逻辑综合  62-63
  4.7 本章小节  63-65
第5章从站通信控制芯片的系统验证  65-73
  5.1 PROFIBUS-DP从站系统的验证  65-67
    5.1.1 从站系统的搭建  65-66
    5.1.2 基于FPGA的PROFIBUS-DP从站控制器节点设计  66-67
  5.2 测试环境的搭建以及一致性测试  67-71
    5.2.1 PROFIBUS-DP总线系统的搭建  67-69
    5.2.2 PROFIBUS-DP从站通信控制芯片的测试  69-71
  5.3 本章小节  71-73
第6章结论与展望  73-75
  6.1 结论  73
  6.2 展望  73-75
参考文献  75-79
致谢  79

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