基于FPGA的串行现场总线的研究与设计

论文摘要

现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式,采用了智能现场设备,用数字信号替代模拟信号,这样就为简化控制系统的结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。传统气动阀门的控制方式存在缺点,主要表现在费用高,安全性无保障,故障点多等。采用现场总线的阀控方式可以改进上述缺点,并且这种方式适合于对成组的阀门进行控制。本文讲述的是在烟草生产中,对气动电磁阀控制上的改进。将以往用I/O卡采用并行方式控制的气动电磁阀驱动电路重新设计为使用一块PCI总线发送卡通过现场总线采用串行的方式实现对阀门的控制。主要过程是将工控机发送的控制信号,经过一块基于FPGA的PCI总线发送板卡的处理,输出串行的脉冲信号,然后通过现场总线进行传输,再经过接收卡将这些串行的控制信号转换成并行的信号,传送到对应的气动电磁阀,控制阀门有效的剔除异物。本文主要研究了PCI总线发送卡,从硬件和软件两个方面对发送卡进行了设计和实现。采用基于FPGA的PCI总线发送卡通过现场总线控制气动电磁阀的方式,简化了电路,节约了成本,提高了生产效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 烟叶异物剔除系统简介
• 1.2 本课题的研究背景、意义和应用前景
• 1.3 本课题涉及的技术
• 1.3.1 现场总线技术
• 1.3.2 PCI 总线技术
• 1.3.3 现场可编程门阵列技术
• 1.3.4 气动技术
• 1.4 本课题的主要内容和文本结构
• 第二章 系统总体结构设计
• 2.1 系统总体结构模型简介
• 2.1.1 系统总体结构流程图
• 2.1.2 系统相关设备及元件
• 2.2 系统工作原理
• 2.2.1 控制信号发送过程
• 2.2.2 图象信息反馈过程
• 2.3 气动控制部分
• 2.3.1 气动部分介绍
• 2.3.2 气动电磁阀工作方式介绍
• 2.3.3 气动电磁阀控制信号的传输
• 2.4 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 系统硬件组成
• 3.1.1 板卡器件设计
• 3.1.2 主要器件简介
• 3.2 硬件电路设计
• 3.2.1 PCI 接口电路的设计
• 3.2.2 FPGA 与光耦外围电路设计
• 3.2.3 FPGA 与拨码开关电路设计
• 3.2.4 FPGA 与三态总线缓冲器电路设计
• 3.3 FPGA 引脚及其内部结构介绍
• 3.3.1 LFXP6 引脚介绍
• 3.3.2 LFXP 系列FPGA 内部结构介绍
• 3.4 系统原理图设计以及制板图设计
• 3.4.1 PCI 总线发送卡原理图设计
• 3.4.2 PCI 总线发送卡制板图设计
• 3.4.3 接收卡原理介绍
• 3.5 本章小结
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 ISPLEVER EDA 工具简介
• 4.2 VERILOG HDL 介绍
• 4.3 FPGA 引脚配置
• 4.4 FPGA 芯片的固件编程
• 4.4.1 程序设计逻辑部分及其流程图
• 4.4.2 程序设计时序部分原理及其流程图
• 4.5 逻辑综合
• 4.5.1 综合工具介绍
• 4.5.2 综合过程以及结果
• 4.6 功能仿真
• 4.6.1 ModelSim 简介
• 4.6.2 仿真过程及其结果
• 4.7 时序仿真
• 4.8 本章小结
• 第五章 系统测试和现场验证
• 5.1 工作现场
• 5.1.1 工作现场情况简介
• 5.1.2 课题相关部分
• 5.2 测试方案
• 5.2.1 PCI 总线发送板卡的测试
• 5.2.2 气动电磁阀的测试
• 5.3 测试结果
• 5.4 长期使用情况
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士研究生期间发表的论文和参加的科研项目