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基于PowerPC的高性能嵌入式工业控制器的研究与开发

作　者: 刘常清
导　师: 黄文君
学　校: 浙江大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 集散控制系统工业控制器 PowerPC处理器 PCI-Express总线可靠性
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

集散控制系统DCS(Distributed Control System)中的工业控制器是整个DCS的核心,它负责数据的处理和交互,其性能直接影响了整个系统的实时性、可靠性等综合性能。国内现有DCS控制器存在运算能力较弱、通信效率较低、掉电数据保存有缺陷等关键问题已难以满足当前大型流程工业的需求。本文结合新型DCS研究课题,设计并实现了新的高性能工业控制器,重点解决上述问题。本文的主要工作：(1)在运算性能上,本文控制器采用了高性能的PowerPC处理器与高速、可靠的DDR2 SDRAM主内存,解决了现有控制器中处理器运算速率低下,主内存SDRAM数据率低、不可靠的问题。通过对PowerPC处理器关键技术与高速内存技术的深入研究,对影响其运算性能的关键模块进行了优化设计,提高了控制器的运算能力。(2)在通信速率上,本文采用冗余的千兆工业以太网提高了控制器与上层系统网的通信效率；采用冗余的百兆工业以太网提高了控制器与下层现场控制网的通信效率；在控制器间冗余通信方面,采用了高速的PCI-Express总线技术,解决了现有串行接口通信速率低下的问题,大大提高了通信的效率。通过对上述通信技术的深入研究与分析,从硬件与软件角度进行了设计与实现,提高了控制器整体的通信效率。(3)在掉电数据保存上,本文提出了一种法拉电容储能方案,它利用法拉电容存储大容量电能维持控制器在掉电后工作,并采用快速、可靠的非易失闪存NAND保存掉电数据,解决了现有带电池保护的SRAM方案占用大量CPU资源的问题,并实现了对掉电数据的长期保存,提高了控制器的可靠性。(4)开发了控制器样机,在样机上对其运算性能、通信效率做了一系列测试,对掉电数据保护方案做了验证,并与国内主流DCS控制器进行了对比,结果表明本文设计的控制器各方面的性能均得到明显改善,具有很强的应用价值。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目录  9-11
1 绪论  11-23
  1.1 课题的研究背景与意义  11-12
  1.2 集散控制系统及其工业控制器  12-17
    1.2.1 集散控制系统的发展  12-13
    1.2.2 集散控制系统结构与特点  13-15
    1.2.3 集散控制系统工业控制器特点与作用  15-17
  1.3 课题国内外研究现状  17-20
    1.3.1 国外主流集散控制系统控制器现状  17-18
    1.3.2 国内主流集散控制系统控制器现状  18-20
  1.4 课题研究内容  20-21
  1.5 论文结构安排  21-23
2 控制器总体设计  23-33
  2.1 控制器需求分析  23-24
  2.2 控制器处理单元选型分析  24-28
    2.2.1 微处理器选型  24-26
    2.2.2 MPC8377处理器概述  26-28
  2.3 新型DCS系统架构设计  28-29
  2.4 新控制器整体架构设计  29-31
  2.5 本章小结  31-33
3 控制器运算模块的研究与实现  33-49
  3.1 PowerPC关键技术的研究  33-43
    3.1.1 PowerPC运算性能影响因素分析  33-34
    3.1.2 复位配置字研究与设计  34-35
    3.1.3 窗口优化配置  35-37
    3.1.4 Cache与MMU研究与设计  37-43
  3.2 主内存模块设计与实现  43-47
    3.2.1 DDR2 SDRAM技术研究  43-44
    3.2.2 ECC校验方案  44-45
    3.2.3 DDR2 SDRAM模块硬件设计  45-46
    3.2.4 DDR控制器优化配置  46-47
  3.3 本章小结  47-49
4 控制器通信模块的设计与实现  49-63
  4.1 系统网通信模块设计  49-55
    4.1.1 系统网通信方案研究与分析  49-50
    4.1.2 工业以太网体系结构  50-51
    4.1.3 千兆以太网高速通信机制分析  51-52
    4.1.4 千兆以太网模块硬件设计  52-53
    4.1.5 千兆以太网通信软件设计  53-55
  4.2 控制网通信模块设计  55-59
    4.2.1 控制网通信方案研究与分析  55-56
    4.2.2 控制网络结构设计  56
    4.2.3 DM9000A模块硬件设计  56-57
    4.2.4 DM9000A模块软件设计  57-59
  4.3 冗余通信模块设计  59-62
    4.3.1 冗余通信方案研究与分析  59-60
    4.3.2 PCI-Express总线体系结构  60-61
    4.3.3 PCI-Express总线拓扑结构设计  61
    4.3.4 PCI-Express通信模块软件实现  61-62
  4.4 本章小结  62-63
5 控制器掉电数据保护方案研究与实现  63-69
  5.1 掉电数据保护方式分析  63
  5.2 法拉电容储能方案  63-68
    5.2.1 续流模块设计  64
    5.2.2 NANDFlash模块设计与实现  64-68
  5.3 本章小结  68-69
6 控制器测试与验证  69-79
  6.1 运算性能测试  69-72
    6.1.1 运算能力测试  69-71
    6.1.2 运算性能对比  71-72
  6.2 数据存储可靠性测试  72-73
    6.2.1 DDR2 SDRAM数据ECC校验测试  72-73
    6.2.2 NANDFlash数据ECC校验测试  73
  6.3 通信效率测试  73-76
    6.3.1 以太网通信效率测试  74-75
    6.3.2 PCI-Express通信效率测试  75-76
    6.3.3 通信效率对比  76
  6.4 法拉电容储能方案验证  76-77
    6.4.1 法拉电容续流时间测试  76-77
    6.4.2 NANDFlash擦写速率测试  77
  6.5 本章小结  77-79
7 总结与展望  79-81
  7.1 工作总结  79
  7.2 工作展望  79-81
参考文献  81-85
作者简历  85

基于PowerPC的高性能嵌入式工业控制器的研究与开发

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