【正文】 基于FPGA的RS485通信接口設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄第一章 概述 2１、ＤＣＳ　概述 3２、RS485通信協(xié)議介紹 3３、課題研究內(nèi)容 5第二章課題開發(fā)環(huán)境 5１、 5ＦＰＧＡ概述 7QuartusⅡ的介紹 84 、Altium Designer概述 9VHDL設(shè)計(jì)語言 9PC3250介紹 11第三章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12DCS控制器軟件部分 12２、DCS控制器硬件部分 13DCS通信需求 15４、遠(yuǎn)端I/O模塊通信需求 16第四章 基于FPGA的RS485電路硬件設(shè)計(jì) 17１、RS485驅(qū)動(dòng)芯片選型 17２、FPGA器件接口設(shè)計(jì) 17３、CPU接口設(shè)計(jì) 24第五章 RS485通信接口軟件設(shè)計(jì) 25FPGA通信協(xié)議及寄存器設(shè)計(jì) 25２、FPGA端發(fā)送流程 29３、FPGA端接收流程 30４、LPC3250驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 31（１）IO驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 31（２）中斷驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 33第六章 實(shí)驗(yàn) 39１、FPGA收發(fā)數(shù)據(jù)測(cè)試 39２、FPGA中斷測(cè)試 41３、實(shí)驗(yàn)結(jié)論 41參考文獻(xiàn) 42第 39 頁 （共40 頁）第一章 概述１、ＤＣＳ　概述 DCS是分布式控制系統(tǒng)，是一種分布結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。由多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別控制生產(chǎn)過程中多個(gè)控制回路，同時(shí)又可集中獲取數(shù)據(jù)、集中管理和集中控制的自動(dòng)控制系統(tǒng) 。分布式控制系統(tǒng)采用微處理機(jī)分別控制各個(gè)回路，通過高速數(shù)據(jù)通道，各回路之間和上下級(jí)之間交換信息。在分布式控制系統(tǒng)中，按地區(qū)把微處理機(jī)安裝在測(cè)量裝置與控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)附近，將控制功能盡可能分散，管理功能相對(duì)集中 。DCS的發(fā)展體現(xiàn)在：系統(tǒng)的功能從低層逐步向高層擴(kuò)展；系統(tǒng)的控制功能由單一回路控制發(fā)展到綜合了程序控制、配方控制、批量控制、順序控制及邏輯控制等混合控制功能；構(gòu)成系統(tǒng)的產(chǎn)品改變?yōu)殚_放的市場(chǎng)采購產(chǎn)品；開放的趨勢(shì)使第三方產(chǎn)品更加容易集成到系統(tǒng)中來；開放性帶來的系統(tǒng)趨同化迫使DCS廠家向高層、與生產(chǎn)工藝結(jié)合緊密的高級(jí)控制功能發(fā)展；數(shù)字化的發(fā)展向現(xiàn)場(chǎng)延伸，發(fā)展成為更智能化、更分散化的控制系統(tǒng)。第四代DCS基本上實(shí)現(xiàn)了全場(chǎng)實(shí)時(shí)控制，SCADA監(jiān)控和MES的絕大部分功能。現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)及管理信息技術(shù)等高速發(fā)展，促使第四代DCS的形成及發(fā)展。比如：通信技術(shù)的高速發(fā)展使整個(gè)工廠的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地交換變成現(xiàn)實(shí)；各種管理信息系統(tǒng)的發(fā)展為DCS實(shí)現(xiàn)管理化功能提供了技術(shù)基礎(chǔ)；現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與產(chǎn)品的成熟促進(jìn)了DCS系統(tǒng)的集成化；PLC技術(shù)的發(fā)展與功能豐富激勵(lì)了DCS的功能拓展。２、RS485通信協(xié)議介紹為了彌補(bǔ) RS232 通信速率低、距離短等缺點(diǎn)，開發(fā)出了RS485通信。只規(guī)定了平衡發(fā)送器和接收器的電特性作為RS485 標(biāo)準(zhǔn)，沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和應(yīng)用層通信協(xié)議。RS485數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線，分別將兩線定義為A和B，如圖 。 RS485 發(fā)送器示意圖通常情況下，發(fā)送發(fā)送器 A、B 之間的正電平在+2～+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)；負(fù)電平在2～6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地 C。在 RS485 器件中，一般還有一個(gè)“使能”控制信號(hào)?！笆鼓堋毙盘?hào)用于控制發(fā)送發(fā)送器與傳輸線的切斷與連接，當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送發(fā)送器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，它是有別于邏輯“1”與“0”的第三種狀態(tài)。對(duì)于接收發(fā)送器，也作出與發(fā)送發(fā)送器相對(duì)的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將 AA與 BB 對(duì)應(yīng)相連。當(dāng)在接收端 AB 之間有大于+200mV 的電平時(shí)，輸出為正邏輯電平；小于200mV 時(shí)，輸出為負(fù)邏輯電平。在接收發(fā)送器的接收平衡線上，電平范圍通常在 200mV至 6V 之間。參見圖 所示。 RS485接收器示意圖定義邏輯 1（正邏輯電平）為 B＞A 的狀態(tài)，邏輯 0（負(fù)邏輯電平）為 A＞B 的狀態(tài)，A、B 之間的壓差不小于 200mV。 RS485 標(biāo)準(zhǔn)的最大傳輸距離約為 1219 米，最大傳輸速率為 10Mbps。通常，RS485 網(wǎng)絡(luò)采用平衡雙絞線作為傳輸媒體。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，速度越高使用的雙絞線長度越短。在 20kbps 速率以下，使用的雙絞線長度才能最長。RS485 網(wǎng)絡(luò)采用直線拓樸結(jié)構(gòu)，需要2 個(gè)終端電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗（一般取值為 120Ω）。在短距離、或低波特率波數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可不需終端匹配電阻。終端匹配電阻并聯(lián)在 RS485 傳輸網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)端點(diǎn) AB 引腳之間。RS485 標(biāo)準(zhǔn)被用作為一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)、具有相當(dāng)高噪聲抑制、相對(duì)高的傳輸速率、傳輸距離遠(yuǎn)、寬共模范圍的通信平臺(tái)且控制方便、成本低廉。３、課題研究內(nèi)容本次設(shè)計(jì)任務(wù)旨在設(shè)計(jì)一種基于FPGA的RS485通信接口電路，以及與LPC3250之間的接口硬件設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)工作，其中RS485需具有兩路獨(dú)立通道以實(shí)現(xiàn)冗余功能，并同時(shí)具有FIFO管理，與LPC3250之間要能夠通過中斷方式接收數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)等功能，而FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)，使用方便準(zhǔn)確，并且要滿足DCS控制器對(duì)IO模塊的通信性能要求。所以本任務(wù)就需要采用VHDL語言在FPGA上實(shí)現(xiàn)協(xié)議控制為基礎(chǔ)的RS485通信接口電路擴(kuò)展以及軟件。還要通過Altium Designer對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)研究以及連接。最后軟硬件之間相互結(jié)合。本設(shè)計(jì)關(guān)鍵解決的問題是如何讓,為了達(dá)到目的我認(rèn)為應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：(1)設(shè)計(jì)基于Altera 的CycloneII系列FPGA的RS485硬件電路(2)設(shè)計(jì)FPGA與LPC3250的接口電路(3) RS485模塊協(xié)議軟件編寫(4)調(diào)試程序第二章課題開發(fā)環(huán)境１、微軟WinCE是專門針對(duì)小型設(shè)備的通用操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。，對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，每個(gè)進(jìn)程都可以支持2GB虛擬內(nèi)存（以往支持32MB），可以同時(shí)運(yùn)行的進(jìn)程數(shù)達(dá)到32000個(gè)（以往只有32個(gè)）。以往的CE操作系統(tǒng)的部分內(nèi)核模塊式使用單獨(dú)進(jìn)程，以便提高性能，減少系統(tǒng)開銷，統(tǒng)一內(nèi)核接口。Windows CE支持大多數(shù)32位處理器，包括ARM、MIPS、SH4和x86。Windows CE包括600余個(gè)模塊，可以方便用戶靈活地定制內(nèi)核鏡像。Windows CE支持的模塊包括：（１）快速的系統(tǒng)與應(yīng)用程序開發(fā)ARM模擬器與多個(gè)平臺(tái)的模板AYGShell API與Windows Mobile應(yīng)用程序兼容Simple Network Management Protocol390萬條開源源代碼，內(nèi)核全部開源產(chǎn)品級(jí)OAL（PQOAL）,包括一系列庫文件與源代碼。BLCOMMON,包括一系列庫文件與源代碼，用于創(chuàng)建Bootloader產(chǎn)品級(jí)別的驅(qū)動(dòng)與BSP包多語言支持（２）網(wǎng)絡(luò)與無線連接支持TCP/IP, IPv4, IPv6, PAN, LAN, WAN, 藍(lán)牙SOAP, OBEX, LDAP客戶端VoIP, RTC, SIPRIL, SMS, WAP, SIM卡接口RAPI/RAPI2， PPPoE（３）服務(wù)器終端Telnet, FTP, SMB, CIFS, MSMQASPParental Control打印架服務(wù)，Web代理（４）多媒體DirectDraw, DirectShow, Direct3DWindows媒體播放器，WMA，MP3網(wǎng)絡(luò)瀏覽器DVD視頻API接口數(shù)字版權(quán)管理（５）存儲(chǔ)與文件系統(tǒng)支持FAT, TFAT, 對(duì)象存儲(chǔ)CDFS/UDFSFSD管理，Cache管理CEDB,EDB數(shù)據(jù)庫ＦＰＧＡ概述FPGA是一種可編程邏輯器件，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的出現(xiàn)是可編程邏輯器件發(fā)展變化的必然，并且它還推動(dòng)了可編程邏輯器件的進(jìn)一步發(fā)展。FPGA器件已成為當(dāng)今的主要的可編程邏輯器件之一了，資源更加多樣，使用也越來越方便。FPGA由6部分組成： （1） 可編程輸入/輸出單元（I/O單元）大多數(shù)FPGA的I/O單元被設(shè)計(jì)為可編程模式，通過軟件的靈活配置，可適應(yīng)不同的電器標(biāo)準(zhǔn)與I/O物理特性；可以調(diào)整匹配阻抗特性，上下拉電阻；可以調(diào)整輸出驅(qū)動(dòng)電流的大小等。（2）基本可編程邏輯單元查找表和寄存器組成FPGA的基本可編程邏輯單元，查找表完成純組合邏輯功能。FPGA內(nèi)部寄存器可配置為帶同步/異步復(fù)位和置位、時(shí)鐘使能的觸發(fā)器，也可以配置成為鎖存器。通過寄存器FPGA可以完成同步時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)。（3）嵌入式塊RAM目前大多數(shù)FPGA都有內(nèi)嵌的塊RAM。嵌入式塊RAM可以配置為單端口RAM、雙端口RAM、偽雙端口RAM、CAM、FIFO等存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。(4)豐富的布線資源布線資源連通FPGA內(nèi)部所有單元，連線的長度和工藝決定著信號(hào)在連線上的驅(qū)動(dòng)能力和傳輸速度。布線資源可以分為全局性的專用布線資源；長線資源；短線資源；在邏輯單元內(nèi)部還有著各種布線資源和專用時(shí)鐘、復(fù)位等控制信號(hào)線。（5）底層嵌入式功能單元嵌入式功能單元指的是那些通用成都較高的嵌入式功能模塊。（6）內(nèi)嵌專用硬核指的是硬核主要是那些通用性相對(duì)較弱的，不是每個(gè)FPGA都含有硬核。 QuartusⅡ的介紹Alter公司的QuartusⅡ軟件是一種集編輯、變異、綜合、布局布線、仿真與器件編程于一體的集成設(shè)計(jì)環(huán)境。QuartusⅡ軟件支持基于VHDL與Verilog HDL等硬件描述語言的設(shè)計(jì)和基于圖形的設(shè)計(jì)，內(nèi)部嵌有VHDL和Verilog HDL的邏輯綜合器，也支持利用第三方的綜合工具進(jìn)行邏輯綜合。 QuartusⅡ圖形用戶界面的功能和與其對(duì)應(yīng)的軟件工具?；竟δ軘U(kuò)展功能設(shè)計(jì)輸入文本編輯器模塊/符號(hào)編輯器宏單元插入管理器系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)SOPC BuilderDSP Builder設(shè)計(jì)綜合分析和綜合設(shè)計(jì)助手RTL查看器技術(shù)映像查看器增量式綜合軟件開發(fā)Software Builder約束輸入分配編輯器引腳規(guī)劃期設(shè)置對(duì)話框平面布圖編輯器設(shè)計(jì)分區(qū)窗口基于模塊設(shè)計(jì)Logiclock窗口平面布圖編輯器VQW WriterEDA界面EDA Netlist Writer布局布線適配器分配編輯器平面布圖編輯器增量式編譯報(bào)告窗口資源優(yōu)化設(shè)計(jì)空間管理器芯片編輯器功耗分析PowerPlay Power Analyser工具PowerPlay E