基于FPGA的嵌入式Ethernet-CAN通信卡的设计与研究

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近年来随着网络技术和嵌入式技术的快速发展,嵌入式以太网深入到了生活中的各个角落,同时也在工业控制领域引起了深刻变革。以太网采用最通用的通信协议标准,以其良好通用性和高带宽特性,逐步在工业控制中崭露头角。CAN总线作为一种工业现场总线,以其良好的自身特性(实时性、可靠性和灵活性等),同样广泛应用于工业控制领域。但是CAN总线作为工业现场底层通信网络,充分暴露出一些问题:一方面,在一些像交流伺服驱动这样的场合很难与PC机连接;另一方面,CAN网络数据传输距离有限,不满足远程监控生产过程、调试和设备故障诊断的现代企业理念。以太网和现场总线两种不同通信方式的网络互联,是当今研究的热点;异构网络不仅克服了现场总线的缺点,而且也使以太网深入到了工业控制底层。因此设计多路Ethernet-CAN通信卡,不仅具有理论意义,而且有重要的实践价值。本文以交流伺服驱动器系统为应用背景,设计了基于FPGA的多路Ethernet-CAN通信卡,并对CAN总线数据到以太网数据转换技术进行了较为全面的理论分析和实验验证。论文中首先阐述了系统的整体架构,在此基础上完成了基于Nios II处理器的SOPC设计和片外系统硬件电路设计;其次,在Nios II软件开发环境中,以μC/OS-II实时操作系统为基础,详细分析了NicheStack TCP/IP协议栈和CAN总线控制器MCP2515驱动程序的设计,完成了以太网协议和CAN总线协议的相互转换;最后,对Ethernet-CAN通信卡进行实际运行测试,结果表明Ethernet-CAN通信卡达到了设计要求。
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