● 摘要
工业以太网是现场总线的一个具有划时代意义的重要发展方向。随着控制实时性和快速性要求的不断提高，传统的现场总线逐渐不能满足现代生产的高实时性和高通信速率的需求。近年来基于以太网的工业现场总线已经成为工业控制设备现场总线的发展方向。国际电工委员会IEC于2007年颁布了十种基于以太网的现场总线标准，例如EtherCAT、PROFINET，SERCOS III等[5]。这些总线具有丰富的控制功能，能够覆盖从小规模自动化设备到大规模自动化车间和工厂的应用需求。但是它们的技术使用难度较大，需要开发大量的驱动程序而且配置过程非常复杂。在工业自动化领域中，用于设备控制的现场总线占有很大的应用需求比例。例如：数控机床和数控机械设备中数控系统与伺服装置的通信，工业机器人控制系统与伺服装置的通信，它们通常要求很高的通信速度和很高的通信可靠性，但是不要求很复杂的可配置性。适用于大规模车间和工厂的现场总线对于这些应用来说过于复杂，这类应用需要开发一种配置简便、低成本、高可靠性的现场总线。以太网在计算机网络领域中获得了广泛应用，强大的市场需求使其核心物理层器件得以大规模生产，在性能和成本方面显示出极大的优越性[95]。
因此本文提出一种基于以太网器件的工业现场总线FED（Fieldbus based on standard Ethernet Devices）。FED主要面向工业自动化设备，使用便捷无需复杂驱动程序，自动完成网络的建立和通信的准备工作，能在底层网络透明的情况下实现高速实时通信。
随着商用以太网以及FPGA片上系统SOPC的快速发展，NiosⅡ是全球两大FPGA制造商之一的Altera公司为他们的SOPC系统架构量身打造的软核处理器。其上的三速以太网IP以固核的形式提供，既有权限限制也有使用限制。
本文针对开源的IP核技术进行深入研究，利用开源IP的结构规范性进行开发，增加了以太网链路层稳定性。设计了具有管理FED通讯功能的主站，设计了基于飞读写机制的从站。并且开发了适应于平板电脑控制的FED系统，并利用本实验室开发的基于工业以太网的侦听器，完成了对FED系统关键性能的分析和测试。
本文的研究目的是以以太网的FPGA实现技术为基础，研究FPGA的数据流处理方法和在FED协议中数据帧处理的各个环节。主要研究内容如下：
综述了工业以太网的产生、研究应用现状以及优越性。总结了工业以太网实现的三种方法：基于TCP/IP的实现、基于以太网的实现、基于修改以太网的实现。分别对流行的工业以太网进行分析，阐述了国内外最新研究成果。
研究了FED协议的模型，以集总帧主从通信方式为基础设计了FED协议通信各个阶段的数据帧结构。并且开发了FED主站。对IP核设计技术进行了深入的研究。对NiosⅡ的技术背景和开源IP核技术关键概念作了较为清楚的阐述，重点研究和开发了Wishbone和Avalon总线的转换机制和SOPC功能寄存器的实现机制。并基于此开发了主站上的FED通信发起和调度方案，设计了初步的故障诊断方案。并为上位控制器提供了三总线和以太网接口。
开发了FED从站。针对飞读写进行全面系统模块设计。研究了从站时钟域划分，影子寄存器技术。设计了能够允许片上CPU（NiosⅡ）和片外CPU双端口操作的机制，实现了数据帧的最低过站延迟，在性能上满足自动控制设备需求。
研究了FED主从站样机，设计了主从站组合方式，设计了主从站和外围设备的数据交换接口，完成了FED总线的周期稳定性和从站延迟测试。设计开发了一个FED运动控制演示系统，提出了基于平板电脑的FED主从站运动控制架构方法。详细说明了其具体功能。最后，全面总结了论文所完成的工作，指出了其中的不足之处，为未来进一步的深入研究进行了展望。