基于FPGA的Profibus-DP协议研究

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随着工业化的发展,工业生产中的自动化水平也在不断提高,设备间传递的信息量也在迅速增加。为了满足日益增多的信息传输需求,各种不同的现场总线技术相继出现,并不断成熟。PROFIBUS作为一种具有高传输率的总线,一直是现场总线研究领域的热点。为了解决传统基于单片机的PROFIBUS-DP从站数据处理能力不足,可扩展性差的问题,本课题采用具有快速运算能力和良好的可扩展性的FPGA芯片做控制芯器。提出了基于FPGA的从站接口通信模块的设计方案,并设计了硬件电路,编写了软件程序,实现了和主站的通信。本从站模块在高速通信速率和可扩展性方面都比传统实现方式有较大优势。论文首先对PROFIBUS-DP协议进行分析介绍,主要从其组网特点、网络构成、传输方式、存取规范、工作模式、网络配置、数据传输几方面进行介绍,着重研究和分析了DP从站的状态机工作原理。重点阐述了基于EDA自顶向下的设计思想以及采用FPGA+SPC3实现PROFIBUS-DP从站的设计方案,并从软硬两方面对实现方案进行介绍。硬件方面采用FPGA做控制器,并承担大部分的运算任务,充分发挥了FPGA的运算优势。释放出SPC3的能力,使其专注于数据链路层的传输任务,大大提高了工作效率。文中给出了设计逻辑框图和硬件电路图及主要的引脚分配说明。软件方面使用VerilogHDL语言描述,并用Xilinx公司的ISE开发平台软件对程序进行了综合优化,通过时序约束等调试优化了软件的运行效率,文中给出了算法流程图及部分模块的仿真结果。设计中充分考虑了模块的可扩展性,使其拥有了比以往各种从站模块更强大的适应能力。利用实验室的PLC做主站,搭建了单主站单从站的网络系统,对其通信效果进行了测试。
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