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基于实时以太网的同步技术的研究

作　者: 梅凯
导　师: 涂承媛
学　校: 北京工业大学
专　业: 机械工程
关键词: 以太网 工业现场总线 时钟同步 FPGA
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


实时以太网是将商用以太网用于工业控制领域而产生的一种既具有现场总线特性又具有以太网特性的工业产品。现场总线只能应用于工业控制的现场即工厂、车间等，实现对传感器和开关节点等现场设备的控制，随着工业信息化、数字化的发展，诸多工作都可以在虚拟的条件下进行描述和仿真，并形成一整套适用于计算机的完整的数据信息，但是这些信息无法直接传递到现场控制层，这就导致了现场控制层与研发管理层之间的信息交换产生了瓶颈，影响工厂的工作效率，因此人们提出一种贯穿于研发管理层到工厂现场控制层的通信及控制网络技术，使产品生产环节和产品设计环节实现畅通无阻数据交换，提升了工作效率，降低了对生产车间的维护与服务成本。实时以太网的同步性是保证现场设备实现高精度控制与运行的重要指标，现有的实时以太网同步方案多采用IEEE1588协议进行时钟同步，可以达到亚微秒级的同步精度，但初始化速度慢，时间数据交互量非常大，对于主站的运算能力和软件设计有着很高的要求。本文针对影响以太网同步精度的因素进行了深入分析，在对现有实时以太网同步方案细致研究的基础之上，提出一种既能满足亚微妙级同步精度，又可以快速地进行初始化的同步方案。并针对该方案应用Altera公司的Cyclone Ⅲ系列FPGA研制了相应的试验系统，使用VHDL语言编写了实时以太网数据链路层的解析模块，实现该时钟同步方法。通过实验证明了在100Mbps以太网的条件下可以达到亚微秒级的同步精度。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-15
  1.1 工业以太网简介  9
  1.2 实时以太网总线的实时性与同步性  9-10
  1.3 发展现状  10-12
  1.4 课题研究内容  12-15
第2章 实时以太网总线同步技术  15-21
  2.1 IEEE1588 精确时钟协议  15-16
  2.2 EtherCAT 的同步技术分析  16-17
  2.3 SERCOS Ⅲ 的同步技术分析  17-20
  2.4 本章小结  20-21
第3章 实时以太网总线同步算法的误差分析  21-25
  3.1 网络延迟误差分析  21
  3.2 晶振频率误差分析  21-22
  3.3 物理层芯片(PHY)造成的误差分析  22-23
  3.4 本章小结  23-25
第4章 一种新的实时以太网总线同步方案  25-35
  4.1 同步算法  25-29
  4.2 协议构成  29-30
  4.3 运行原理  30
  4.4 同步算法的仿真  30-34
    4.4.1 误差分析  30-31
    4.4.2 延迟模型的建立  31-32
    4.4.3 仿真结果  32-34
  4.5 本章小结  34-35
第5章 实时以太网总线从站控制器的总体设计  35-47
  5.1 实时以太网总线从站控制器的架构分析  35-38
    5.1.1 实时以太网总线从站控制器的构成  35-36
    5.1.2 实时以太网总线从站控制器的接口控制芯片  36-37
    5.1.3 本节小结  37-38
  5.2 实时以太网总线从站控制器的总体设计  38-39
    5.2.1 实时以太网总线从站控制器的结构设计  38-39
    5.2.2 FPGA 器件选型  39
  5.3 实时以太网总线从站控制器的硬件设计  39-46
    5.3.1 FPGA 的配置电路  39-41
    5.3.2 PHY 芯片电路设计  41-44
    5.3.3 电源设计  44-46
  5.4 本章小结  46-47
第6章 基于 FPGA 的实时以太网总线从站控制器的实现  47-65
  6.1 VHDL 硬件描述语言  47-48
    6.1.1 VHDL 的发展  47
    6.1.2 VHDL 的特点  47-48
  6.2 数据链路层解析模块的设计  48-63
    6.2.1 首从站实时以太网报文的接收模块  48-51
    6.2.2 实时以太网报文处理模块  51-59
    6.2.3 实时以太网的发送模块  59-60
    6.2.4 时钟同步模块  60-63
  6.3 Nios Ⅱ 软核设计  63-64
  6.5 本章小结  64-65
第7章 测试系统与测试验证  65-75
  7.1 测试系统的功能  65
  7.2 系统实现  65-66
    7.2.1 实时以太网总线的从站控制器  65-66
    7.2.2 系统的整体实现  66
  7.3 系统测试与结果分析  66-73
    7.3.1 从站控制器的通信测试  66-67
    7.3.2 从站控制器的时钟同步初始化测试  67-70
    7.3.3 从站控制器时钟同步性能测试  70-71
    7.3.4 时钟同步性能测试结果的分析  71-73
  7.4 本章小结  73-75
结论  75-77
参考文献  77-81
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  81-83
致谢  83

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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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