（机械制造及其自动化专业论文）一种高速可配置串行现场总线的设计及应用.pdf

摘要 摘要 随着控制、通信技术的发展，以信息交换为核心的现场总线得到迅猛的发展， 迅速覆盖了现场级设备到控制、管理的各个层次，成为自动化领域研究的热点之 一。为了实现实时工业以太网e t h e r m a c ( e t h e m e tf o rm a n u f a c t u r ea u t o m a t i o n c o n t r 0 1 ) 的低成本逻辑控制功能扩展，本文提出一种基于f p g a 的高速可配置串 行现场总线( h r s f b ，h i g h - s p e e dr e c o n f i g u r a b l es e r i a lf i e l db u s ) ，用于扩展数字 量、模拟量等功能。为e t h e r m a c 在i 0 数量较多的场合的应用提供实时理论和 关键技术支撑。 本文在对h r s f b 总线的应用场合进行需求分析后，给出了总线的设计要求： 尽可能低的成本实现l o m b p s 的通信速率，同时实现数字量、模拟量等扩展功能。 然后提出了h r s f b 总线的实现方案：基于f p g a 的整体方案，并分析了该方案的 优势。介绍了e t h e r m a c 总线，根据e t h e r m a c 总线和h r s f b 总线的数据交互要 求，给出了h r s f b 总线的拓扑结构、参考模型和通信协议，其中通信协议包括物 理层协议、数据链路层协议和应用层协议。在链路层协议中给出了总线的报文结 构和错误处理方法。在应用层协议中设计了总线的应用层接口以及a p i 函数。详 细给出了总线的主从节点的通信过程，包括配置过程、轮询工作过程和广播工作 过程。重点对主从节点的逻辑设计实施方法和关键技术进行了研究，主要包括主 从节点的整体架构、各个逻辑模块的功能、顶层状态机设计、配置过程状态机设 计、工作过程状态机设计方法等。 为验证本文的方法和技术的有效性，给出了基于h r s f b 总线的贾卡经编机控 制系统应用实例。首先通过对经编机和贾卡梳控制要求的功能分析，对控制系统 的整体方案进行了设计。然后对e t h e r m a c 节点、h r s f b 节点的各个模块的硬件 应用本文的方法进行了设计。并设计了e t h e r m a c 总线在w i n d o w sc e 下的控制程 序和h r s f b 总线在n i o si i 下的控制程序。 通过本课题的设计验证了h r s f b 现场总线工作稳定、通信可靠，满足实际需 要。同时，该应用充分体现了现场总线搭建系统的灵活性，可扩展性和分布式控 制的优越性。 关键词：现场总线；f p g a ：状态机：h r s f b ；贾卡经编机控制系统 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ef i e l db u s w h i c hr e g a r d e dm e s s a g ee x c h a n g i n ga si t sc o r eg r e wu pr a p i d l y , q u i c k l yc o v e r e dt h e f i e l dl e v e ld e v i c e st ot h ec o n t r o l ，m a n a g e m e n ta ta l ll e v e l sa n db e c a m eo n eo ft h eh o t s p o t si nt h ef i e l do fa u t o m a t i o n i no r d e rt of u l f i l ll o w c o s te x t e n s i o no fr e a lt i m e i n d u s t r i a le t h e m e te t h e r m a ci n l o g i cc o n t r o lf u n c t i o n ，af p g a - b a s e dh i g h - s p e e d r e c o n f i g u r a b l es e r i a lf i e l db u s ( h r s f b ) w a sg i v e n ，w h i c hc o u l db eu s e dt oe x p a n d d i g i t a la n da n a l o gf u n c t i o n s t h er e a l - t i m et h e o r ya n dt h ek e yt e c h n i c a ls u p p o r tf o r e t h e r m a cw e r ep r o v i d e di nal a r g en u m b e ro fi 0a p p l i c a t i o n s a f t e rd e s c r i b i n gt h er e q u i r e m e n t so fh r s f bb u s ，t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sw a s g i v e n ，s u c ha sr e a l i z i n g10 m b p sc o m m u n i c a t i o nr a t ew i t hl o wc o s ta sp o s s i b l ea sy o u c o u l da n da c h i e v i n ge x t e n d e df u n c t i o n sl i k ed i g i ta n da n a l o g t h e nf p g a - b a s e do v e r a l l s o l u t i o no fh r s f bb u sw a si n t r o d u c e dw i mi t sa d v a n t a g e s t h e ne t h e r m a cb u sa n d h r s f bb u sw e r ei n t r o d u c e d t h e t o p o l o g ys t r u c t u r e ，r e f e r e n c e m o d e l a n d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw e r ep r e s e n t e d t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw a si n t r o d u c e d i n d e t a i l ，i n c l u d i n gt h ep h y s i c a ll a y e rp r o t o c o l ，t h ed a t al i n kl a y e rp r o t o c o la n dt h e a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c 0 1 m e s s a g es t r u c t u r ea n de r r o rh a n d l i n go fh r s f bb u sw e r e d e s c r i b e di nt h ed a t al i n kl a y e rp r o t o c 0 1 c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n da p if u n c t i o n s w e r ec l a r i f i e di nt h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c 0 1 t h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s so fh r s f b b u sb e t w e e nm a s t e rn o d ea n ds l a v en o d e sw a si l l u s t r a t e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h e c o n f i g u r a t i o np r o c e s s ，t h ep o l l i n gp r o c e s sa n dt h eb r o a d c a s t i n gp r o c e s s t h el o g i c d e s i g no fm a s t e ra n ds l a v en o d e sw a st h ef o c u s ，i n c l u d i n gt h eo v e r a l la r c h i t e c t u r e ，t h e f u n c t i o no fe a c hl o g i cb l o c k ，t h et o p l e v e ls t a t em a c h i n e ，t h ec o n f i g u r a t i o np r o c e s ss t a t e m a c h i n ea n dt h ew o r k i n gp r o c e s s e ss t a t em a c h i n e a tl a s tj a c q u a r dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nh r s f bb u sw a sg i v e n t h ew a r pk n i t t i n g m a c h i n ea n dj a c q u a r dc o m bw e r ei n t r o d u c e d t h eo v e r a l ls o l u t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m w a sd e s i g n e d t h eh a r d w a r ed e s i g no fe a c hm o d u l ei nt h ee t h e r m a cn o d ea n dh r s f b n o d ew a sd e s c r i b e d ，i n c l u d i n gt h ec i r c u i to fe n c o d e ri n t e r f a c ea n dc o m m u n i c a t i o n i i i i i j 东大学硕士学位论文 i n t e r f a c eo fh r s f bb u s ，d r i v e rc i r c m to fj a c q u a r dc o m ba n dp o w e rs u p p l yc i r c u i t f i n a l l yt h ep r o g r a mo ft h ee t h e r m a cb u su n d e rw i n d o w sc ea n dh r s f b b u si nt h e n i o s1 1w e r ei n t r o d u c e d i t sv e r i f i e dt h a th r s f bf i e l db u sw o r k e ds t a b l ya n dc o m m u n i c a t e dr e l i a b l ya n d f u l l ym e ta c t u a ln e e do ft h ej a c q u a r dc o n t r o ls y s t e m m e a n w h i l e ，t h ea p p l i c a t i o nf u l l y r e f l e c t e dt h ef l e x i b i l i t yo ff i e l db u s ，e x p a n d a b i l i t ya n da d v a n t a g e so fd i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m k e y w o r d s ：f i e l db u s ；f p g a ；s t a t em a c h i n e ；h r s f b ；j a c q u a r dc o n t r o ls y s t e m 第1 章绪论 1 1 研究背景与研究意义 第1 章绪论 随着微处理器在控制领域的应用及其开发环境的简单易用，越来越多的自动 化设备中嵌入微处理器从而具有数字计算和数字通信的能力，便于形成分布式控 制。自动化设备之间的信息交换采用点对点通信，用电压、电流等模拟信号进行 测量控制，如早期的4 - - 2 0 m a 模拟信号标准，难以实现自动化设备之间以及自动化 设备与外界之间的信息交换，而且模拟信号传输具有易干扰、抖动明显、长距离 传输衰减严重等弱点。为了实现工业现场设备之间高速、稳定、可靠的数据交换， 以及现场级设备与工控机之间的信息交换，就必须要设计一种能够连接各个设备， 并能进行有效数据交换的“线路”。现场总线正是顺应这样的需求产生的，实现了 设备之间的数字通信，极大的促进了工业控制技术的发展【l 】。 现场总线是当今自动化控制领域技术热点之一，在全世界引起了高度关注， 成为研究热点之一。目前主流的现场总线技术均为国外公司产品，知识产权为国外 公司掌握，如基金会现场总线、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 和h a r t 等。国内 现场总线的研究目前更多的是实现国外某知名现场总线的协议，或采用国外的总 线技术做自己的产品，有自主知识产权的总线技术很少。因此开展高速现场总线 的研究，开发具有自主知识产权的现场总线技术，对于提高我国现场总线的技术水 平，打破国外公司对总线技术的垄断局面，具有重要意义。 本文开展了现场总线技术的研究，通过研究比较目前有影响力的几种现场总 线技术，分析其优缺点，结合项目的实际需求，开发了一种基于f p g a 的高速可 配置串行现场总线。目前，该现场总线已经成功运用到数控机床、多梳经编机等 场合，取得了良好的效果，证明了其具有稳定、可靠的通信能力，满足现场复杂 环境的控制要求。同时，该现场总线技术的成功应用对于国内现场总线的研究具 有参考意义。 山东大学硕士学位论文 1 2 现场总线概述 1 2 1 现场总线的概念 i e c 对现场总线的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、 现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。也就是说现 场总线是应用在生产现场、生产设备之间实现多节点一对一数字通信 2 1 。在数控机 床、汽车制造、楼字自动化方面具有广泛的应用前景【3 1 。 本质上说，现场总线是一种数字通讯协议，是连接智能现场设备和自动化控 制系统的数字式、全分散、双向传输和多分支机构的通讯网络。如图1 1 所示，所 有的现场设备( 如阀、泵、p l c 、变送器和通信控制站等) 共享一条数据线，在某 个时间点里实现点对点通信，综合起来构成一个设备之间相互交换数据、共同完 成一定控制任务的控制系统。现场总线技术相比分布式控制系统d c s ，具有采用 数字信号通信抗干扰能力强、多点通信、便于控制和互换性强的优点，代表了工 业体系结构发展方向【4 1 。 阀 泵 图1 1 现场总线示意图 1 2 2 现场总线的技术特点 现场总线的技术特点如下【5 l ： ( 1 ) 现场通信网络。现场总线用于现场级设备之间的数据交换。通信线位于 工业现场生产设备的之间，是自动化控制的最底层； ( 2 ) 现场设备互联性。工业现场存在各种各样的设备，如传感器、驱动器、 变频器、编码器和各种仪器仪表等。各种设备通过一条公用的数据线相互连接、 第1 章绪论 交换数据。数据线可以是双绞线、光纤和用户自定义的通信线等； ( 3 ) 互可操作性。互可操作性是指现场设备之间，设备与系统之间传输数据， 可以采用一对一的询问式和一对多的广播式通信； ( 4 ) 功能摸块分散性。现场设备采用a r m 、d s p 等嵌入式处理器后己经具 有基本的自动控制功能，而且c a n 、以太网等外设普遍存在于嵌入式处理器，便 于搭建现场总线系统，使得现场总线成为新的分布式控制体系结构。模块分散性 的好处是可以灵活的搭建自己所需要的系统，相比d c s 而言，现场总线彻底实现 了分布式控制； ( 5 ) 系统的开放性。现场总线都有自己的标准，每个厂商只要按照标准的要 求生产设备，就可以与其他厂商生产的相同总线的产品进行数据交换。这可以使 用户很方便的挑选产品搭建系统，而不会受制于某一厂家的产品； ( 6 ) 通信线供电。现场总线可以直接供电给现场级的通信控制单元。 1 3 几种有影响力的现场总线技术 目前，国际上影响较大的现场总线有4 0 多种，比较流行的有p r o f i b u s 、c a n 、 d e v i c e n e t 等，下面介绍几种在国内影响较大的现场总线： 1 3 1p r o f i b u s p r o f i b u s 是过程现场总线( p r o c e s sf i e l db u s ) 的缩写，1 9 9 1 年成为德国国家标 准d i n l 9 2 4 5 ，1 9 9 6 年成为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ，多用于加工制造、过程控制和楼宇 自动化等场合，并由p r o f i b u s d p ( 主从) 、p r o f i b u s f m s ( 多主) 、p r o f i b u s p a ( 本 质安全爆炸) 组成p r o f i b u s 系列【6 1 。 p r o f i b u s d p 型采用高速但相对低廉的通信网络，多用于自动化控制系统和分 散i o 之间的通信。p r o f i b u s d p 适合搭建单主多从的控制系统，采用循环节点查询 的方式进行通信。p r o f i b u s f m s 用于搭建车间级一般通信速率要求的控制系统，适 用于纺织控制系统、楼宇自动化、可编程序控制器与p c 之间通信等一般自动化【7 1 。 p r o f i b u s p a 型是专门为过程控制自动化设计的总线，遵从i e c l l 5 8 2 标准【2 1 。适用 于本质安全的场合，可以采用通信线供电。 p r o f i b u s 遵从o s 参考模型，但只采用了物理层、数据链路层，f m s 还采用 山东大学硕士学位论文 了应用层。传输速率最高可达1 2 m b p s ，最大传输距离在1 2 m b p s 时为1 0 0 m ，1 5 m b p s 时为4 0 0 m ，可用中继器延长至1 0 k m 。其传输介质是可屏蔽双绞线或者光纤。 p r o f i b u s 总线最多可以级联1 2 7 个节点。 1 3 2c a n c a n 是控制局域网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的简称，由德国b o s c h 公司于 1 9 8 3 年开始研发，1 9 8 5 年推出第一个c a n 协议，用于汽车传动系统的通信系统。 1 9 9 3 年1 1 月c a n 总线规范成为i s o 国际标准。c a n 协议遵循i s o 参考模型，但是 只规定了物理层、数据链路层，而没有应用层。c a n 网络采用屏蔽双绞线作为传 输介质。c a n 总线通信速率最高可达1 m b p s 2 5 m ，传输距离最远可达l o k i l l 5 k b p s 【8 】， 最多可以级联1 l o 个设备1 2 ，6 1 。 c a n 总线采用短帧结构传输信号，每一帧包含8 个有效数据字节，因而传输 时间短，受干扰的概率低。c a n 总线包含四种帧类型：数据帧、远程帧、错误帧 和超载帧。c a n 总线支持多主模式，而且其通信特点也决定了c a n 可以轻松实 现从节点之间的数据交换。 1 3 3d e v i c e n e t d e v i c e n e t 是一种在c a n 基础上发展起来的低成本通信协议，最早由美国 r o c k w e l l 公司推出。d e v i c e n e t 的数据传输方式源于c a n 链路层协议，但是 对c a n 的标识符等进行了修改。d e v i c e n e t 广泛应用于可编程控制器和变频器中。 d e v i c e n e t 最多可以支持“个节点，传输速率通常为1 2 5 k b p s 、2 5 0 k b p s 和5 0 0 k b p s ，传输距离为1 0 0 - 5 0 0 m ，可以采用总线供电的方式 2 1 。 综上所述，这三种现场总线都发展的非常成熟，得到了广泛的应用。但是每 种总线都不可能做到完美，例如p r o f i b u s 总线采用专用的a s i c 芯片，增加了设计 成本。c a n 总线和d e v i c e n e t 总线的传输速度较慢。 1 4 现场总线的发展现状及发展趋势 1 4 1 现场总线发展现状 现场总线的发展现状如下： ( 1 ) 多种现场总线共存。现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 第四版本包含1 1 种现 4 第1 章绪论 场总线和8 种实时以太网总线。每种现场总线都有其独特的特点和更为适合的应 用场合，如p r o f i b u s p a 适合于过程过程控制，p r o f i b u s - f m s 适合于可编程控制器 与p c 之间的通信，c a n 总线适合于汽车电子方面的控制。而且各种总线可以相 互替代，在每种领域存在多种总线都适合的情况。 ( 2 ) 总线不断扩宽应用领域。每种总线都努力扩展自己的应用领域，如 p r o f i b u s 在d p 的基础上又开发出p a ，以适用于过程控制。同时扩展自己的用户数 量，不仅仅是为了盈利，同时还可以增加总线的影响力，成为某一领域或者国际 上的标准。 ( 3 ) 成立总线的国际组织。大多数总线都成立了自己的国际组织，总线的国 际组织不仅可以进一步吸引用户的加入，而且还能够树立总线在用户心目中的形 象。 ( 4 ) 以企业为支撑。由于总线最初都是由一个或几个大公司一起推出的，所 以各种现场总线都表现出浓厚的公司背景，并与公司的发展息息相关。如c a n 以 b o s c h 公司为主要背景，p r o f i b u s 以s i e m e n s 公司为主要支持； ( 5 ) 设备制造商同时参加多个总线组织。为了增加企业的产品线，适应不同 用户的需求，设备制造商通常会同时参加多个总线组织，提供满足多种总线需求 的产品。 ( 6 ) 成为国家或地区标准。每种总线大多在自己国家成为标准，然后进一步 成为地区标准，以增强竞争力。如p r o f i b u s 既是德国国家标准又是欧洲标准。 ( 7 ) 在竞争中协调共存。各种总线同时成为国家或者地区标准的现象很多， 而且很多企业不仅推自己的总线产品，还开放出自己的总线接口，以连接其他总 线的产品。 ( 8 ) 以太网成为新热点。以太网以其低廉的成本，广泛的应用前景而越来越 受到重视。各现场总线厂商纷纷推出基于以太网的总线，如西门子推出p r o f i n e t ， 现场总线s e r c o si ，s e r c o si i 之后推出实时以太网s e r c o si i i l 2 1 。 1 4 2 现场总线的发展趋势 现场总线技术的发展日新月异，且日益深入人心，得到用户的青睐，越来越 多的自动化产品支持现场总线技术。现场总线的发展趋势应该朝着高速、稳定、 山东大学硕十学位论文 信息化的方向发展，具体表现为以下几个方面： ( 1 ) 统一标准的形成。不同厂商生产的设备之间通信标准不统一，严重束缚 了工厂底层网络的发展，以及产品的互换性。用户和厂商都希望形成统一的标准， 从而使不同厂商生产的自动化设备能够互连为系统。 ( 2 ) 高速性以及高实时性。有资料认为，在未来数年里，现场总线需要传输 的信息量还要再增加l o 3 0 倍。这就要求有更高、更稳定的传输速度。 ( 3 ) 高速以太网必然成为现场总线的替代产品。统一的t c p i p 协议极大的促 进了i n t e m e t 的发展，而且以太网以其高速稳定的通信、低廉的组网成本，使很多 总线厂商愿意发展基于以太网的总线产品【5 1 。 1 5 课题研究内容 目前国际上现场总线的发展已经非常成熟，各种总线都有自己的特色且在某 一领域占主导地位。国内的现场总线只有浙大中控的e p a 以太网技术具有较高的影 响力，且已经成为国际标准【9 1 。但是e p a 总线更适合于化工、炼油等过程控制领域， 在运动控制领域鲜有应用。在运动控制领域国内厂商主要采用国际上主流的现场 总线技术，还没有提出一种影响深远、应用广泛的现场总线技术。国际上的现场 总线组网成本都比较高，有的还需要专有硬件、a s i c 芯片等，而且通信速率普遍 不高。 总之，本文主要针对国内现场总线研究不足，国际上现场总线高成本、低速 率的问题展开研究的，提出一种基于f p g a 的高速可配置串行现场总线h r s f b ， 主要包含以下几个方面的内容： 第2 章说明了h r s f b 总线的需求分析，设计要求，整体方案设计。由于h r s f b 总线主要是为e t h e r m a c 以太网的功能扩展设计的，所以在第2 章最后介绍了 e t h e r m a c 总线。 第3 章详细介绍了h r s f b 总线，包括其参考模型、拓扑结构、物理层协议、 数据链路层协议、应用层协议以及错误处理等，详细说明了h r s f b 总线的通信过 程。 第4 章详细说明了h r s f b 总线的实施方案，并给出了主、从节点的各个状态 机及在f p g a 里的逻辑实现。 6 第1 章绪论 第5 章为了验证h r s f b 总线，根据贾卡经编机控制系统的设计要求，给出了 控制系统的整体方案设计。给出了控制系统的硬件设计，包括各个节点的主要功 能模块。最后给出了控制系统的软件设计 7 第2 章h r s f b 总线的需求分析及整体方案 量量量量| i i 置量鼍皇曼曼曼皇罾喜量曼量喜喜罾量量皇皇量量量量鼍曼鼍曼量皇量量墨暑曼舅量量曼曼曼曼曼量曼皇毫鼍曹寡量量量皇曼皇曼尝量一 第2 章h r s f b 总线的需求分析及整体方案 第1 章对现场总线的特点和发展进行了简单介绍，并列举了几种较有影响力 的现场总线技术。在此技术上，本章将要给出h r s f b 总线的需求以及设计要求， 并提出一种基于f p g a 的设计方案，然后介绍一下e t h e r m a c 实时工业以太网。 2 1hr s f b 需求分析 工业现场存在大量的传感器、控制器等。对于由它们组成的工业控制底层网 络来说，有一些与一般网络不同的特点： ( 1 ) 协议简单，使现场总线具有高的网络工作效率： ( 2 ) 具有好的延时确定性和强的实时性； ( 3 ) 现场环境恶劣，采用短帧信息传送以减少干扰； ( 4 ) 要求网络负载稳定性好，不管网络站点多少，均要能稳定工作； ( 5 ) 具有一定的容错、纠错能力，工作可靠性高： ( 6 ) 安全性好； ( 7 ) 较低成本与较高的性能价值比。 分布式运动控制领域存在实现高速运动控制和远程通信的实时工业以太网和 实现数字i o 控制的现场总线。为了使实时以太网专注于高通信速率、强实时性、 高精度的运动控制领域，本文提出一种高速现场总线以扩展实时以太网的数字量、 模拟量等功能。h r s f b 总线就是为了实现实时工业以太网e t h e r m a c 的低成本功能 扩展而提出的。该总线主要实现数字量i o 、模拟量i o 、编码器和传感器等功能， 使e t h e r m a c 总线专注于运动控制方面的应用，同时还能有效的降低成本【1 0 】。 采用e t h e r m a c 总线也可以轻松实现数字量、模拟量等功能扩展，但是系统 搭建成本高。而且在扩展板卡量非常大的时候会影响到系统的性能，因为实现数 字量、模拟量等功能的节点需要的数据量非常小，但是依然需要传输庞大的以太 网帧头、帧尾等数据。 如图2 1 所示，这是一个典型的h r s f b 总线的应用场合：e t h e r m a c 总线和 工控机之间通过网线连接，e t h e r m a c 节点与h r s f b 节点以及h r s f b 节点之间 采用r s 4 8 5 连接。工控机与e t h e r m a c 节点之间利用高速以太网快速传输大量的 9 山东大学硕士学位论文 数据到e t h e r m a c 节点，e t h e r m a c 节点在接收完来自工控机的数据后通过r s 4 8 5 总线传输各个h r s f b 节点的数据。这样做的好处是对于数字量、模拟量、传感器 等低实时性数据采用低速网络传输，即满足性能要求也能有效降低成本。 2 2h r s f b 设计要求 图2 1h r s f b 总线功能分析图 综合h r s f b 总线的需求分析，可以得出其具体设计要求： ( 1 ) 能与e t h e r m a c 总线级联。也就是要有一个网关的存在，保证e t h e r m a c 总线和h r s f b 总线可以相互通信。 ( 2 ) 实现模拟量、数字量、传感器、编码器等功能扩展，但不仅仅局限于这 些功能。h r s f b 总线应该能够按照设计要求扩展更多的功能。 ( 3 ) h r s f b 总线的传输速率要达到1 0 m b p s 。以r s 一4 8 5 最多可以带3 2 个节 点为例，每个节点需要8 个字节的数据，传输每个字节需要1 1 个位时间以及字节 间的5 个位的空闲时间，同时假设应答数据帧也是8 字节的数据，则传输完所有 数据所需要的时间为：( 1 1 幸8 + 7 宰5 ) * 3 2 * 2 * 0 1 u s = 7 8 7 2u s 。这里还没有计算帧间 的时间间隔，所以一个访问周期最少为l m s 才能基本满足要求。若采用1 m b p s 的 通信速率会导致通信周期过长。 ( 3 ) h r s f b 总线要有简单的数据帧结构，较强的抗干扰能力，一定的容错、 纠错能力和稳定通信的能力等。 1 0 第2 章h r s f b 总线的需求分析及整体方案 2 3 基于f p g a 的方案设计 2 3 1f p g a 简介 现场可编程门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是一种可编程逻辑 器件，它是在可编程阵列逻辑即儿( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) 、通用阵列逻辑 g a l ( g e n e f i ea r r a yl o g i c ) 、电可编程逻辑装置e p l d ( e l e c t r i c a l l yp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ) 等的基础上发展起来的。a l t e r a 公司和x i l i n x 公司占有f p g a 绝大部 分市场份额。目前世界上最广泛使用的f p g a 都是采用s r a m 工艺制作，掉电后 会丢失程序，需要外部配置芯片在每次上电时配置f p g a 。 f p g a 本身可以认为是一片“空片”，可以按照用户的要求任意搭建系统，用 户可以采用硬件描述语言或原理图的形式完成需要的功能，上至高性能的c p u ， 下至简单的7 4 系列逻辑门电路。不同于单片机的调试方法，f p g a 可以用软件仿 真验证设计的正确性，仿真之后采用类似单片机在线调试的s i g n a l t a pi i 软件进行 验证。s i g n a l t a pi i 是一款功能强大且极具实用性的f p g a 片上d e b u g 工具软件， 它集成在a l t e r a 公司提供的f p g a 开发工具q u a r t u si i 中。 f p g a 的优势是在p c b 完成以后还可以修改f p g a 程序实现不同的硬件逻辑而 不需要修改电路板。同时f p g a 还具有并行执行的优势，所以利用f p g a 来开发数 字电路，可以大大缩短设计时间，减少p c b 面积，提供系统的可靠性【5 1 。 2 3 2f p g a 芯片选型 方案采用a l t e r a 公司的e p 3 c 5 e 1 4 4 c 8 nf p g a 作为主节点控制核心，这是 a l t e r a 公司设计的c y c l o n e 第3 代芯片；采用a c t e l 公司的p r o a s i c 3a 3 p 0 6 0 f p g a 作为从节点的控制核心。 c y c l o n ei i if p g a 系列实现了低功耗、低成本和高集成度，进一步拓宽t f p g a 在大批量、成本敏感领域中的应用。c y c l o n ei i if p g a 系列采用t s m c 公司的6 5 n m 低功耗( l p ) i 艺。c y c l o n ei i i 器件对芯片和软件采取了更多的优化措施以降低功耗。 在对成本和功耗敏感的大量应用中，提供丰富的特性推动宽带并行处理的发展【l i 】。 e p 3 c 5 e 1 4 4 c 8 n 包含5 1 3 6 个逻辑单元，4 1 4 k b 嵌入式存储器，2 3 个1 8 x 1 8 位乘法器，9 4 个用户可用i o 引脚，高速外部存储器接口电路d d r 、d d r 2 、s d r s d r a m 和q d r i is r a m 等，锁相环( p l l ) 以及支持低成本、用户定制的嵌入式处 山东大学硕士学位论文 理器n i o si i 等。 a 3 p 0 6 0f p g a 采用f l a s h 结构，具备了反复擦写和掉电后程序非易失特性，因 而基于f l a s h 结构的f p g a 同时具备了s r a m 结构的灵活性和反融丝结构的可靠性。 p r o a s i c 3 是a c t e lf l a s hf p g a 产品系列的第三代产品，提供了超越p r o a s i c p l u s 系 列的性能、集成度和特性。非易失的f l a s h 技术使p r o a s i c 3 芯片具有安全、低功耗、 单芯片解决方案，而不需要像a l t e r af p g a 一样需要外部配置芯片，作为从节点的 主控方案非常合适，单芯片可完成总线通讯和i 0 功能，集成度高，布板面积紧凑， 可靠性高，成本低廉。本文选用的a 3 p 0 6 0f p g a 采用v q l 0 0 封装，具有6 0 k 系统 门资源、1 8 k b 的双端口r a m ( 可配置成f i f o 使用) 、1 k b 片上可编程非易失 f l a s h r o m 、1 个集成锁相环( p l l ) 和7 1 个用户可用的i o 等丰富资源【1 2 1 。 2 3 3f p g a 方案优缺点 采用f p g a 作为主控方案的优点有： ( 1 )由于h r s f b 总线通常是和e t h e r m a c 总线一起使用的。e t h e r m a c 总 线是在a l t e r a 公司的f p g a 平台上基于n i o si i 软核实现的。腿s f b 总线也采用 n i o si i 的i p 核的方式从而实现单芯片解决方案，不仅可靠性高，而且可以很好的 控制成本。 ( 2 ) h r s f b 的全部功能都是在i p 核里实现的并不需要c p u 进行过多的干预。 i p 核接受n i o si i 的控制指令独立进行工作，而不需要占用额外的c p u 时间，从而 提高c p u 的利用率及执行效率。如配置过程，c p u 只需要下发配置开始指令即可， 整个配置过程完全由i p 核完成。 ( 3 ) h r s f b 总线充分发挥了f p g a 的完全定制性，并行执行性。整个h r s f b 主从节点的全部逻辑均采用v e r i l o gh d l 语言编写，完全控制h r s f b 的数据收发， 数据存储，数据处理等细节。 采用a r m 芯片自身的外设也可以实现一种现场总线，比如利用u a r t 模块， 但是这种方案通信速率达不到要求，s t m 3 2 f 1 0 3 的u a r t 最高通信速率为 4 5 m b p s t l 3 】；还可以利用c a n 模块，但是这种方案通信速率也不够，最高只能为 1 m b p s ，而且成本不如r s 4 8 5 低廉。由于e t h e r m a c 总线是基于f p g a 实现的， h r s f b 采用a r m 方案的话成本没有优势，而且a r m 和f p g a 之间的通信会导致通 1 2 第2 章h r s f b 总线的需求分析及整体方案 信数据的额传输延迟，影响系统整体性能。所以采用a r m 实现h r s f b 总线的方案 不合适。 综上所述，基于f p g a 的整体方案具有单芯片、并行执行效率高、用户完全定 制和节省c p u 开销等优势，所以h r s f b 总线采用f p g a 整体方案比较好【1 们。 2 4e t h e r m a c 概述 2 4 1e t h e r m a c 简介 e t h e r m a c 是面向整个制造自动化控制的实时同步工业以太网总线平台，由山 东大学数控技术研究中心自主开发，已获得两项发明专利，具有如下优点： ( 1 ) 主控制器采用标准网卡，无需专有硬件，网络数据帧符合i e e e 8 0 2 3 标 准； ( 2 ) 无需实时操作系统，支持w i n7 ，x p ，w i nc e 和l i n u x 等； ( 3 ) 提供多达2 5 4 个点的分布式从站控制，从站间距可达1 0 0 米； ( 4 ) 高实时性和高同步性，周期和同步抖动均小于l o o n s 。 ( 5 ) 各种模块接口齐全，易于扩展。 e t h e r m a c 总线主要运用于多轴运动控制的场合，比如数控机床、机器人、纺 织、包装等行业。该总线可以按照应用需求选择板卡数量搭建系统，充分体现了 灵活多变、易于扩展的特性。 2 4 2e t h e r m a c 网络拓扑结构 e t h e r m a c 实时工业以太网总线采用线型串联拓扑结构，同时也支持环形拓 扑结构。线型串联拓扑结构的特点是数据帧的传输只能从一个节点传输到下一个 节点，如图2 2 所示，数据帧从主节点( 即工控机) 传到节点0 的a 口，节点o 直接通过通过b 口转发数据到节点l ，同时取出自己的数据，后续节点依次类推。 数据帧到达末节点后，末节点取出自己的数据，并将反馈数据通过a 口回传，各 个节点接收到反馈数据帧后都将自己的要反馈的数据加入其中并转发。这种拓扑 结构相比总线型拓扑结构大大提高了总线的传输效率。 山东大学硕士学位论文 图2 2e t h e r m a c 网络拓扑结构 环形拓扑结构主要作为环形冗余结构设计，如图2 1 虚线所示。当主节点的一 个网口失效后，另一个网口继续充当主节点的角色。同时主节点的冗余网口充当 监视的角色，监视另一个网口是否工作正常。 2 4 3e t h e r m a c 数据帧结构 e t h e r m a c 实时以太网遵循标准的i e e e 8 0 2 3 以太网数据包格式同时使用了自 定义的协议类型【1 5 】，如图2 3 所示。 e t h e r m a c 数据帧包含7 字节的前导符、l 字节的分隔符、6 字节的目的地址、 6 字节的源地址、2 字节的自定义的协议类型、1 个字节的流水号、2 个字节的指 令长度段、3 5 至1 4 7 1 字节的数据段和4 字节的帧校验序列等。其中流水号用于 主从节点之间判断该帧类型是否正确，以排除帧重复、帧丢失等错误。指令长度 段，用于指示该帧的用途和后面数据段的长度。 在数据段中，包含若干数据域。每个数据域都包括1 字节的节点号，2 字节的 节点数据长度和若干字节的数据，用以指明哪个节点接受该数据域，以及根据节 点数据长度判断该数据域的结束。数据区长度可变，在数据段数量少的情况下节 省网络开销，同时又保证了数据区的灵活性和扩展性1 6 】。 前导符分隔符目的地址源地址协议类型 流水号指令，长度数据 校验序列 7 b y t e s ib y t e6 b v t e s 6 b y t e s 2b y t e s 1b y t e s2b y t e s3 5 - 1 4 7 1b y t e s4b y t e s 节点号节点长度数据节点号节点长度数据 1b y t e2b y t en b y l e 1b y t e2b y t e n b y t e 图2 3e t h e r m a c 数据帧结构 2 4 4e t h e r m a c 的工作模式 e t h e r m a c 总线有两种工作模式：事件触发的工作模式和时间触发的工作模 1 4 第2 章h r s f b 总线的需求分析及整体方案 式。 所谓事件触发就是指网络上的所有活动都由外部或者内部事件的出现来触 发，一般用于报警、管理与监控等非周期性信息的传输【1 7 】。c a n 协议就是一种典 型的事件触发的通信协议。事件触发的工作模式有优点，也有缺点。优点是：对 于发生指定事件的快速响应性。对于通信网络不是很繁忙的应用场合，事件触发 的工作模式能够快速处理发送的事件。缺点是：事件的出现具有很强的随机性、 异步性，所以网络的通信延迟是不可避免的，也是难以预测的，具有较强的不确 定性。 时