（航空宇航制造工程专业论文）基于fpga的profibus+dp从站设计.pdf

i 一 n 觚ji n gu n i v e r s i t yo fa e r o n a u t i c s 孤da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c 0 1 1 e g eo fm e c h 锄i c a l 锄de 1 e c t r i c a le n g i n e 耐n g t h e d e s i g no fp b a s e d r o f i b u sd ps l a v e o nf p g a a t h e s i si n a e r o n a u t i c a la n da s t r o n a u t i c a ls c i e n c ea 1 1 dt e c l l n o l o g y b y f a i l gj u n a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gl e n i 锄 su _ b m i t t e di np a r t i a lf u l f i u m e n t o fm e r e q u i r e m e m s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u 姒2 0 l o 广 j _ 驴 j 氛 l 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) + 作者签名：让 日 期：丝! ! ：兰 jj 摹 南京航空航天大学硕+ 学位论文 摘要 现场总线技术的出现使工业控制领域发生了翻天覆地的变化，它将传统的集中控制模式转 变为分散的控制模式，将慢速的并行数据交换模式转变为高速的串行模式，使整个工业控制现 场能够实现网络化管理。其中以外围设备的过程控制现场总线( p r o c e s sf i e l d b u sd e c ep 舐p h 张 p r o f i b u sd p ) 为代表，由于其高速可靠，令它在国内外工业控制领域占有大量份额。 本课题针对工业现场中对大量分散i o 点实时控制的需求，以现今数字电路设计流行的现 场可编程逻辑门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea m y ，f p g a ) 为基础，设计了基于f p g a 的 p r o f u sd p 从站。该从站采用了控制器加协议芯片的结构：选用p r o f i b u sd p 专用协议 芯片s p c 3 完成协议的解析；选用a l t e m 公司的c y c l o n e 器件作为外部控制器，协助s p c 3 完成从站状态机的转变，同时控制从站i o 数据的输入输出。本文设计的d p 从站实现了与主 站间的周期性数据交换，扩展了与上位机的串行通信接口，使用户能够在p c 机上监视从站 i o 数据的变化以及修改从站的配置信息。 本文研究了p r o f i b u sd p 总线协议中的d p v o 规约；对从站的硬件模块进行了设计；在 硬件结构的基础上，根据从站要实现的功能按照自顶向下的原则设计了f p g a 芯片内的各功 能模块，这些模块在m o d e l s i m 和q u a r t l l s i i 软件下完成了功能和时序仿真；最后将所设计的 d p 从站与可编程逻辑控制器口r o g a 珊m a b l el 0 酉cc 0 n 仃0 1 1 p l c ) 主站组态d p 网络，通过了 从站状态转变、速度以及稳定性等方面的测试，验证了设计的正确性。 关键词：p r o m u sd p ，f p g a ，协议，自顶向下，p l c i 基于f p g a 的p r o f i b u sd p 从站设计 a b s t r a c t g r e a tc h a n g e sl x a v et a k e np l a c ei l lt l l ei i l d l l s 仃yc o m r o ls i i l c et l l ef i e l d b l l st e c l l i l o l o 舀e sc 锄ef 0 m 1 t h em o d eo fm ei i l d u s 勃哼c o n 臼0 lc h a i l g e s6 o mc e n t r a i i z c dt 0d i s t r i b u t e d ，a i l dt h ed a t ae x c h a n g ei n o d e c h 弛g e s 缸衄s l o wp a m l l e l t ol l i 曲一s p e e ds e r i a l 朋lt l l ec h 肌g e sa _ b o v em a l 【en l ei i l d u s 仃yc o n 的1b e a b l et 0a c l l i e v em 细0 r 】幽gm a i l a g 锄e n t a m o n gt l 圯f i e l d b u st e c l l i l 0 1 0 西e s ，p r o f i b u sd pi s r e p r e s e n t a t i v ef o r i t sh i g l ls p e e da n dr e l i a b i l i 吼觚dh o l d sal 孵es h a r eo fn a t i o n a l 雠咄e ti 1 1 t h e i n d u s n yc o n t r o lf i e l d a c c o r d i n gt ot l l ed e m a i l df o rr e a l t i m ec o n 缸o lo fm a s s e so fd i s t r i b u t e di op o i l l t s ，ak i l l do f p r o f m u sd ps l a v eb a s e do nap o p u l a rd i g i t a lc 疵u i td e s i 弘d e v i c ec a l l e df p g ai sd e s i 朗e di i l 廿1 i s p a p e lh ln 玲d ps l a v e ，t l l ed e d i c a t e dp r o f i b u sd pp r o t o c o lc h i ps p c 3i su s e dt oe x p l a i nt h ed p f o 锄a tt e l e 殍锄m ；t h ec y c l o n e i id e v i c ei sa p p l i e di nm e 衄l s f 0 眦o ft h es l a v e ss t a t e m a c h i i l e 钺l dt h e c o n 臼0 l l i l l go fs l a v e s d a t a 髓ed ps l a v ec 锄e x c h 锄g e l cd a t aw 池圮d pm a s t e rp 耐o d i c a l l y a l l dh 蠲b e 吼 e x p 锄d e dt h es e r i a lc 0 眦啪i c a t i o ni n t 刚k ew i mt h ep e r s o n a lc o n l p u t e r t a k i n g a d v a n t a g eo f 廿l e r i a lc o n 删c a t i o n 曲e m 嵋e ，m eu s e 稻c 孤m i 诚t o rt h ed a t ai i l 坝l tt l l es l a v e s 伙) a n dm o d 毋吐l ec o n 矗g l l r a t i o ni i 面m l a t i o no fn l es p c 3c h i p 1 1 l i sp a p _ e rf o c u s e s0 n l ec o n t e i l t so ft h ed p v o p r o f i l eo ft h ep r o f i b u sd p 锄d 吐l er e a l i z a t i o n o ft i l ed ps l a v e sh a r d 啪r e 舭ds o f h a 佗a c c o r d m gt 0 吐l e1 0 p d 0 w np 凼c i p l e ，a l lo ft 量l e 缸l c t i o n m o d e l si l lt l l ef p g ai i e v i c ea r cd e s i g n e db 粥e do nt h el l a r d w a r e 蛐n l c t i l r e 觚ds l a v e s 向n c 缸o n a f b e r p a s s i n gm e 龟i l c t i 伽a n dt i 删n gs i m u l a t i o nt e s t sb yt h em o d e l s i l l la j l dq u a n u s i i ，a l lt 1 1 em o d e l sa r e l o a d e dd o w nt 0m ef p g ad e v i c e a t1 舔t ，l 【i n d so ft e s t s ，疵1 u d 堍蜘l l i i l e 廿孤s f o mn o w ， d i 脑e n tb a u dr a t e s 彻d pb u sa i l ds t a b i l i t ) r 如c t o r a r ec a 喇e do u tt ov e 一矽t h ef e 舔i b i l i t yo f 1 ed p s l a v ed e s i g n e di 1 1 l i sp a p e r k e y w o r d s ：p r o n b u sd 只f p g a ，p r o t o c o l ，t o p d o w n ，p l c i l j ，一 毒 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 现场总线技术。l 1 1 1 现场总线的发展及种类1 1 1 2p i 的f i b u s 总线的发展及种类2 1 2f p g a 技术3 1 2 1f p g a 技术概述3 1 2 2f p g a 技术特点4 1 3 课题研究对象与意义。4 1 4 课题研究内容5 第二章p r o f i b u sd p 总线技术。7 2 1p r o f i b u s 总线层次结构7 2 2d p 总线物理层一8 2 3d p 总线数据链路层。，9 2 3 1 总线数据传输格式1 0 2 3 2m a c 子层协议1 2 2 4d p 总线规约1 2 2 4 1d p 从站状态机1 3 2 4 2g s d 文件1 8 2 5d p 总线周期2 0 2 6 本章小结2 l 第三章p l 的f m u sd p 从站硬件设计2 2 3 1 系统方案选择2 2 3 2 硬件模块设计2 3 3 2 1 协议转换模块2 4 3 2 2 控制器模块2 7 3 2 3 差分转换模块3 0 3 2 4 存储器模块3l 3 2 5p c 通信模块3 1 3 2 6i o 扩展模块3 2 i i i 基于f p g a 的p r o f i b u sd p 从站设计 3 2 7 电源模块3 2 3 3 硬件模块调试3 3 3 4 本章小结3 3 第四章系统软件设计3 4 4 1f p g a 内部模块设计3 4 4 1 1 设计流程3 4 4 1 2 顶层模块设计3 6 4 1 3s p c 3 通信模块3 8 4 1 4p c 通信模块4 5 4 1 5 存储接口模块4 7 4 1 6 可扩展哟模块5 0 4 2 上位机程序5 0 4 3 本章小结5 1 ， 第五章组态与测试5 2 5 1 网络组态5 2 5 1 1d p 主站5 2 5 1 2 组态软件5 3 5 1 3 组态流程5 4 5 2 从站测试5 5 5 2 1 单主站单从站测试一5 5 5 2 2 单主站多从站测试5 7 5 3 本章小结5 8 第六章总结与展望5 9 6 1 总结5 9 6 2 展望5 9 参考文献6 1 i 霉i 谢6 4 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 5 南京航空航天大学硕+ 学位论文 图、表清单 图清单 图2 1o s i 网络通信模型7 图2 2p r o f m u s 总线层次模型。8 图2 3 总线上信号反射示意图一9 图2 4d p 总线底层配置9 图2 5d p 总线帧字符1 0 图2 6d p 总线5 种报文帧格式。ll 图2 7p r o f i b u s 总线的逻辑结构1 2 图2 8d p 从站的状态机1 3 图2 9 部分s a p 服务功能1 3 图2 1 0 修改从站地址报文帧1 4 图2 1 l 主站请求诊断报文帧1 5 图2 1 2 从站回复诊断报文1 5 图2 1 3 从站回复诊断报文d i u 域第一字节1 5 图2 1 4 从站回复诊断报文d u 域第二字节1 6 图2 1 5 从站参数化报文帧1 6 图2 1 6 参数化报文帧第一字节1 6 图2 1 7 从站组态报文帧一1 7 图2 1 8 从站模块完备格式的描述1 7 图2 1 9 周期性数据交换报文帧18 图2 2 0 从站g s d 文件1 9 图2 2 1 主站与从站通讯过程2 0 图3 1 从站硬件模块框图2 4 图3 2s p c 3 内部结构框图。2 5 图3 3协议转换模块硬件原理图2 6 图3 4s p c 3 内部地址译码电路框图一2 7 图3 5f p g a 内部结构框图2 7 图3 6j t a g 接口硬件原理图一2 8 图3 7电平转换模块原理图2 9 v 基于f p g a 的p r o f m u sd p 从站设计 图3 8 差分转换模块电路原理图3 0 图3 9 存储模块硬件原理图3 1 图3 1 0 从站r s 2 3 2 接口原理图3 2 图3 1 l 从站u s b 接口原理图3 2 图3 1 2 电源转换模块原理图3 3 图4 1f p g a 设计流程3 4 图4 2 测试平台模型一3 6 图4 3f p g a 内部各模块框图3 7 图4 4s p c 3 兼容的8 0 c 3 2 写时序一3 8 图4 5s p c 3 兼容的8 0 c 3 2 读时序3 8 图4 6r a m 读写模块的读时序。3 9 一 图4 7r a m 读写模块的写时序。3 9 图4 8r a m 读写模块功能仿真波形4 0 删 ， 图4 9r a m 读写模块时序仿真波形4 0 图4 1 0m o d e l s i i i l 提示信息。4 l 图4 1 1 初始化模块流程图。：4 1 图4 1 2 配置信息缓冲区原理图j ：4 2 图4 1 3 数据交换模块流程图4 3 图4 1 4 总线选通模块原理图4 5 图4 1 5 异步串行发送模块原理图4 5 图4 1 6 异步串行接收模块原理图4 6 图4 1 7 串行回路功能仿真波形4 7 图4 18 存储接口模块原理图4 7 图4 1 91 2 c 主机随机写流程一4 8 图4 2 01 2 c 主机随机读流程4 9 图4 2 11 2 c 接口写时序功能仿真波形一4 9 一 图4 2 21 2 c 接口读时序功能仿真波形4 9 图4 2 3p c 监控程序界面5 0 ， 图4 2 4 虚拟串口驱动安装结果5 l 图5 1d p 网络实物图。5 3 图5 2s t e p7 软件组成5 3 图5 3d p 网络组态过程。5 4 v i i 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 p l ci o 测试程序l 5 5 d p 从站与p l c 输入输出模块间交互5 5 串口监听d p 总线报文5 6 p l c 啪i 测试程序2 5 7 d p 从站间i o 交互5 8 表清单 表3 1j 1 a g 引脚名称及作用。2 8 表4 1s p c 3 中断类型4 4 v 叠 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论帚一早珀下匕 在工业控制现场，相继出现了一对一连线的4 2 0 m a 1 5 ) c 模拟控制系统以及集中式数 字监控系统，这些系统信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自 动控制系统成为工厂中的“信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。 在这种情况下，现场总线技术应运而生，代替了以往并行的数据传输方式，令工业现场的仪器 仪表网络化成为可能，使工业自动化领域产生了翻天覆地的变化。 1 1 现场总线技术 1 1 1 现场总线的发展及种类 随着微电子技术和大规模集成电路以及超大规模集成电路的迅猛发展，微处理器在过程控 制装置、变送器、调节阀等仪器仪表中的应用及其智能化程度不断增加。这些智能化的装置可 实施信号采集、显示、处理、传输及优化控制等功能；还有些具有量程自动转换、自动教零、 自我诊断等功能；信息存储量大的智能设备还能提供故障诊断报告、历史数据查询和趋势图等 功能。现代化的工业过程控制对控制系统及仪表装置在速度、精度、成本等诸多方面的高性能 要求，导致了数字信号传输技术替代模拟信号传输技术。而通信技术的发展，也使得传输数字 化信息的网路技术在工业控制领域广泛应用成为可能。这种现场数字信号传输网络技术就是现 场总线技术。 国际电工委员会在m c 6 1 1 5 8 中给出了现场总线的定义：安装在制造或过程区域的现场与 控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。该定义说 明了现场总线应用于制造业自动化、批量流程控制、过程控制等领域。 现场总线技术在过去的2 0 年间取得了飞速的发展，期间出现了几十种应用于多种场合的 总线。国际标准m c 6 1 1 5 8 定义的现场总线有1 0 类f 2 】= 类型1 p e l ) ：f fh 1 基金会现场总线。 类型2 ( t y p e 2 ) ：c o n 缸d ln e t 现场总线。 类型3 m p e 3 ) ：p r o f m u s 现场总线。 类型4 ( 1 卸e 4 ) ：p - n e t 现场总线。 类型5 ( t y p e 5 ) ：f fh s e 高速以太网总线。 类型6 p e 6 ) ：s 谢r n e t 现场总线。 类型7 0 卯e 7 ) ：i n t e r b u s 现场总线。 类型8 回p e 8 ) ：w 硼d f 口现场总线。 1 基于f p g a 的p r o f i b u sd p 从站设计 类型9 m 9 ) ：m c i s as p 5 0 现场总线。 类型l o ( 1 卯e 1 0 ) ：p r o f h l e t 现场总线。 以上十种现场总线各自有各自的特点，应用于不同的场合。譬如在过程控制自动化中主要 应用f f 、p i 的f m u sp a 、w d r l d f m ；在加工制造业中多用p r o f i b u sd p 、d e v i c e n e t ；楼宇 控制应用p i 的f i b u sf m s 、c o n 昀ln e t 较多【3 】。目前来看，p r o f m u s 总线在工业控制现场 应用最为广泛。 1 1 2p r o f m u s 总线的发展及种类 p r o f m u s 是面向工厂自动化、流程自动化的一种国际性的现场总线标准，是一种具有广 泛应用范围、开放式的数字通信系统，适合于快速、时间要求严格和可靠性要求高的各种通信 任务。 p r o f i b u s 现场总线是基于分布式思想发展而来的。最初的设计是基于扩展m a p m m s 标准的思想，建立一个基于客户服务器( c l i e 州s e r v c s ) 结构的、面向对象的、适应工厂上 下各层的工业通信系统【4 】。p r o f i b u s 除了具有开放性、可操作性、互用性、高度分散性等其 它总线具有的特点外，也有自身的特点： ( 1 ) 网络拓扑为线型、树型或总线型，两端自带有源的总线终端电阻。 ： ( 2 ) 传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9 6 k b p s 到1 2 m b p s 不等。 ( 3 ) 站点数取决于信号特性，如对于屏蔽双绞线，每段为3 2 个站点( 无转发器) ，最多1 2 6 个站点( 带转发器) 。 ( 4 ) 传输介质为屏蔽非屏蔽式光缆或双绞线。当使用双绞线传输时，传输的最大距离为 9 6 k m ，用光缆时最大传输距离可达9 0 k m 。 ( 5 ) 使用单一的总线访问协议，包括主站之间的令牌传递方式和主站与从站间的主从轮询 方式。 由于p r o f m u s 自身特点及其优异的性能，包括s i 咖e 1 1 s 、a b b 在内的1 2 0 0 多制造商在 生产和开发p r o f i b u s 通信芯片、应用软件及开发平台。在德国，有9 0 的工厂自动化检测 和控制设备上都配有p r o f i b u s 的标准接口。根据相关组织的调查，p i f m u s 在中国市场 占有率为4 0 。5 0 f 5 1 。 一般来说，p r o f m u s 总线根据用户接口不同可分为以下类型：p r o f m u sf m s ，它是 最初的p r o f m u s 系统，主要应用于车间级智能主站通用的、对等的、面向对象的通信，由 于f m s 使用较复杂、成本较高，导致其市场占有率低，同时由于p r o f i b u sd p 可以稳定使 用的通信速率越来越高，f m s 已经完全被p r o f i b u sd p 所取代：p r o f i b u sp a ，它主要为 过程控制的特殊要求而设计，数据传输和电源共用一根电缆，可以用于对本质安全有要求或一 2 i 南京航空航天大学硕士学位论文 般过程控制的场合；p i 的f m u sd p ，它主要用于电器自动化和设备自动化中快速地数据交 换，它具有设置简单、价格低廉、功能强大等特点，d p 的基本版本是d p v 0 ，主要实现了主 站和从站之间高速稳定的周期性数据交换【6 】。 在实际应用中，p r o f m u sd p 的使用量占到p r o f i b u s 用量的9 0 。从p l c 对d p 技术 的支持就可以看出d p 技术在工业控制领域的重要性。 p r o f i b u sd p 网络一般构成单主站或多主站系统，在同一系统上最多可连接1 2 6 个站 点。每个p r o f m u sd p 系统可以包括以下3 种不同类型的设备：1 类d p 主站( d p m l ) ，它是 中央控制器，在预定的信息周期内与分散的节点( 如d p 从站) 交换信息，典型的d p m l 有p l c 或具有d p 接口的工业p c ；2 类d p 主站( d p m 2 ) ，在p r o f m u sd p 系统组态操作中使用，主 要完成操作和监视功能，一般是编程器、组态设备或操作面板；d p 从站，它是进行输入输出 信息采集和发送的外围设备，如i o 设备、驱动器、h m i 、阀门、变频器等，d p 从站是 p i 的f i b u sd p 系统通信中的响应方，不能主动发出通信请求，只能在初始化的时候装载自身 的参数并与组态它们的主站交换数据【7 】。 1 2f p g a 技术 1 2 1f p g a 技术概述 数字集成电路经历了从电子管、晶体管、小规模集成电路到大规模及超大规模集成电路 m 叮k r g es c a l eh l t e g r a t e dc n u i t ，v l s i ) 等不同阶段。发展到现在主要有3 类电子产品：存储 器、处理器和逻辑器件【8 】。逻辑器件分为固定的和可编程的两类。其中，固定的逻辑器件通常 称为专用芯片( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e 鲥e dc 毗u i t ，a s i c ) 。a s i c 是为了满足特定的用途而设 计的芯片，其优点是通过固化的逻辑功能和大规模的工业化生产，降低了芯片的成本，同时提 高了产品的可靠性。但是，a s i c 设计的周期很长，而且投资大，风险高。一旦设计结束后， 其功能就被固化了，以后升级改版困难较大。为了满足产品快速开发的需求，产生了可编程逻 辑器件( p r o 铲a i n m a b l el o 百cd e v i c e ，p l d ) 。 可编程逻辑器件从上世纪7 0 年代发展到现在，已经形成了许多类型的产品，其结构、工 艺、集成度和性能都在不断地改进和提高。如今，可编程逻辑器件主要有以下两种类型：复杂 可编程逻辑器件( c 伽叩1 e xp r o g 埘瑚a a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 和f p g a 。其中，c p l d 内部结构 是基于乘积项技术设计的，触发器有限，因此它适合完成各种算法和组合逻辑；f p g a 内部结 构是基于查找表技术设计的，含有丰富的触发器，可以完成复杂的时序逻辑【9 】。相对于 c p l d ，f p g a 具有更高的集成度和强大的逻辑实现能力，使设计变得更加灵活，所以f p g a 得到了更广泛地应用。 3 基于f p g a 的p r o f m u sd p 从站设计 1 2 2f p g a 技术特点 f p g a 既继承了专用芯片的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了普通a i s c 设 计周期长、投资大、灵活性差等缺点，已经逐步成为复杂数字电路设计的首选。其技术特点主 要表现在以下几个方面： ( 1 ) 开发周期短、升级方便、节约成本 由于f p g a 是可以反复烧写，在线编程的。因此，在设计完产品的硬件逻辑后可以直接 下载到f p g a 中，在工作环境下全速运行。如果发现问题，能够及时修改，反复测试，这样 就减少了开发时间，缩短了产品的设计周期。同时，在产品升级的过程中，在不改变外围电路 的情况下，对片内硬件逻辑进行修改即可实现不同的产品功能，缩短了产品升级的时间，节约 了成本。 ( 2 ) 大规模、性能高、速度快 当用硬件描述语言对系统模块设计后，这些模块通过厂家特定的软件映射为芯片内部具体 的逻辑电路。因此，f p g a 在实现逻辑功能时速度非常快。同时，随着v l s i 工艺不断地提 高，f p g a 芯片的规模也越来越大，单片f p g a 的逻辑数量已经超过百万门。由于芯片内部资 源的不断增多，使得其能够实现更加复杂的功能。 ( 3 ) 可靠性高 f p g a 芯片出厂前都会对芯片进行反复地测试，保证芯片合格可靠。同时，由于f p g a 采 用了软件设计后由芯片内硬件逻辑电路实现的这种模式，使得其具有较强的抗干扰性能。 ( 4 ) 强有力的开发工具支持 f p g a 开发工具种类繁多，功能强大。通过使用不同设计阶段的不同开发工具，有经验的 开发人员可以在短时间内完成对电路的设计、综合、前后仿真，最后实现到具体的芯片进行测 试。 ( 5 ) 片上可编程系统技术的发展 片上可编程系统( s y s t e mo n ap r 0 铲跚蚰a b l ec h i p ，s o p c ) 技术在f p g a 设计领域越来越被 广泛地采用。这种技术是在f p g a 芯片内部构建处理器，例如x i l h 的m i c r o b l a z e 和灿t e m 公司的n i o s i i ，将复杂的流程控制在构建的处理器中实现，而对于一些在速度上有要求的算 法则通过片内硬件电路实现【1 0 1 。如此一来，单片f p g a 就提供了一整套软硬件解决方案，简 化了外围电路设计，同时缩短了开发时间。 1 3 课题研究对象与意义 在工业控制现场，需要对大量分散的i o 端口进行监控。目前，主要采用的模式是 4 南京航空航天大学硕士学位论文 p r o f m u sd p 主站与从站通过现场总线网络进行i o 数据的周期性交换，主站完成i o 数据 的分析与处理，从站完成对加数据的采集和输出。能够采用这样的模式是因为p i 的f m u s d p 现场总线的高速性和稳定性，使得数据的处理和最终实现几乎能够同时进行，满足了工业 控制的实时性要求【1 1 】。 本文对工业控制领域中大量应用的p r o f m u sd p 从站进行了研究设计，具有重要的应用 价值，能够带来很大的经济效益。 p r o f i b u sd p 从站一般由西门子等国外大公司生产提供，以成套设备的方式出现【1 2 】，因 此具有较高的稳定性和兼容性，但是带来的问题就是价格昂贵以及可扩展性差。如今国内也有 不少开发者采用西门子公司提供的开发包来设计智能从站，该方案基于单片机与专用协议芯片 的模式，能够实现基本的的扩展。但是由于单片机计算能力的限制以及通用i o 口的缺乏， 并不能充分发挥p r o f i b u sd p 现场总线的优势，同时工业控制现场强电磁环境对于单片机稳 定运行也是隐患。 针对以上情况，本文结合了p r o f i b u sd p 现场总线技术和f p g a 技术，旨在设计一种通 用的、i o 可扩展的、模块化的从站。该从站在i o 端口数量允许的情况下，硬件上能够增加 不同种类的湘i 从板模块，同时对f p g a 内的i o 输入输出功能模块稍作修改，即可完成功能 的提升，适应新的应用要求。 二 本文设计的从站支持p r o f m u sd p 中的d p 、r 0 规约，能够接入p r o f m u sd p 网络稳定 地与主站进行周期性数据交换；由于采用了f p g a 作为控制器，可以利用f p g a 芯片众多的 i o 资源实现端口的扩展；在对f p g a 设计时，充分利用了片内双口洲存储器资源，进行 模块化设计，实现了从站数据输入输出和p i 的f i b u sd p 总线数据交换并行处理，保证高 速性和实时眭；得益于其模块化设计，开发者能够在不改动其它设计的情况下对从站优i 端口 进行扩展，方便功能升级，实现从站的智能化。 1 4 课题研究内容 本文围绕如何实现p r o f i b u sd p 从站展开讨论。主要包括对p r o f m u sd p 现场总线协 议的研究，从站软硬件的实现以及对设计的从站进行测试，其具体内容将在以下章节展开。 第二章：详细描述了p r ( ) m u sd p 总线的层次结构，包括了物理层、数据链路层及总线 规约。具体介绍了从站状态转变的过程，以及在此期间相关报文帧的结构和含义，这对于设计 和调试从站是非常重要的。 二 第三章：对p r o f i b u sd p 从站硬件电路进行了设计。通过分析确定了采用专用协议芯片 加外部控制器的模式，在此基础上设计了从站的各个硬件模块，确定了芯片的具体型号，并介 绍其电路原理图。 5 基于f p g a 的p r o f i b u s d p 从站设计 第四章：针对设计的p r o f m u sd p 智能从站的硬件系统，采用模块化的思想自项而下对 f p g a 内部模块进行设计。对于底层复杂接口采用v e r i l o gh d l 硬件描述语言设计，之后对这 些底层模块进行功能仿真和时序仿真测试；对于上层功能模块通过原理图方式进行互联，实现 整体功能。最后介绍了上位机与d p 从站的通信功能及原理。 第五章：对设计的p r o f l b u sd p 从站进行组态测试。通过可编程程序控制器以及s t e p 7 工控软件组建p r o f i b u sd p 网络，将自行设计的从站接入网络进行各种功能测试，验证设 计的正确性。 第六章：总结设计的要点和经验，针对开发过程中的不足提出了改进的方案和设想，并以 此开展后续工作。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章p r o f i b u sd p 总线技术 2 1p r o f i b u s 总线层次结构 p r o f i b u s 总线参考了现有的国际标准系统互连模型( o p s y s t e n 毽i n t e r c o n n e c t i o n r e f e r e i l c em o d e l ，o s d 。此模型定义了通信所需要的所有元素的结构和任务，并将它们分为7 层，如图2 1 【5 1 所示。这7 层结构可以分为两个大层次，下层是面向网络的一到四层，描述了 数据如何在两个站点之间进行传输；上层是面向用户的五层到七层，描述了提供给用户访问网 络的方式【13 1 。 第七层 第六层 第五层 第四层 第三层 第二层 第一层 应片j 层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 表达层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) 会话层( s e s s i o nl a y 神 传输层( t r a n s p 嘣l a y e r ) 网络层( n e t w o 伙吲 数据链路层( d a t al i l l i 【l a 物理层( p h y s i c a ll a y 哪 面向用户 面向网络 图2 1o s i 网络通信模型 p r o f i b u s 并没有定义全部的o s i 七层模型，其模型层次如图2 2 【1 4 】所示。中间三到六层 的必要功能经过简化后，浓缩进了p i 的f i b u s 的数据链路层和应用层中。从图2 2 中可以看 出，p r o f m u s 总线的三种分支在