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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:郭翰蒼
研究生(外文):Han-TsangKuo
論文名稱:高速串列通訊系統之實作
論文名稱(外文):Implementation of a High-speed serial communication system
指導教授:黃悅民黃悅民引用關係
指導教授(外文):Yueh-Min Huang
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:工程科學系專班
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:78
中文關鍵詞:通訊系統現場總線電路設計資料比對
外文關鍵詞:Communication SystemField busCircuit DesignData Compare
相關次數:
  • 被引用被引用:3
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摘要
隨著通訊控制元件的成熟發展,通訊傳輸在工業自動化控制領域也得到越來越廣泛的應用。也發展出更多的通訊架構以及協定,基於成本考量以及電路簡單化的概念下,傳統的串列通訊協定,因極具有電路簡單、成本低以及簡單易用的優勢,所以廣受多數工業控制大廠使用,特別是在遠端傳輸時,為了避免了不同廠牌而有不同的連接介面,因此串列通訊架構更被廣泛的用於控制系統中。本文研究中,主要是以目前的現場總線作為研究背景,並探討其應用,然後透過實作高速串列通訊系統的方法進行驗證與比較。其中通訊介面實作部份是透過FPGA進行介面設計,並搭配資料連結的封包協定,最後經實體差動訊號進行傳送與資料交換實現其高速通訊功能。整體控制系統實作部份則是以微處理器進行程序控制,並以主從架構方式,將資料透過FPGA進行串列資料轉換,串列資料經高速通訊介面,由主控制板傳送至遠端輸出入模組,進而對外部設備進行控制。為達到研究之訴求,最後也以不同傳輸距離與通訊速度進行比對,驗證其功能及可靠性,雖然整體通訊架構已完成,但相對於應用以及產業價值,未來仍有很大空間值得去研究與改善。

Abstract
With the mature develop of communication and control components. The communication of transmission has also been more widely used in the field of industrial automation and control. Those also develop more communication architecture and protocols. Base on the concept of cost consideration and circuit simplification. The traditional protocol of serial communication, that has a simple circuit, low cost and easy used of the superiority, so well received by the majority of industrial control company. Especially in the remote transmission, in order to avoid the different brands have different connection interface. Therefore serial communications architecture is widely used in control systems. In this paper, mainly based on the fieldbus as a research background, and explore its applications, and then through the implementation of high-speed serial communication system to verify and compare. Implementation of the communication interface that design by the FPGA, and with the data link packet of the protocol. The transmission and data exchange to achieve a high-speed communication by the differential signal finally. Implementation of the communication system that is control process by the micro processor, and builds the architecture of a master and a slave, then convert serial data by the FPGA decode. The data transmit by a high speed communication interface. That also has sent data from host controller board to the remote IO module for the control of the equipments. For the request of the paper, we are to compare the speed and distance of the communication, and verify the function and reliability. Although the overall communications infrastructure has been completed, but there is still much space is worth to study and improve of the application and industrial value in future.

目錄
第一章 緒論 1
1.1. 研究背景 1
1.2. 研究動機 1
1.3. 研究目的與方法 2
1.4. 論文架構 3
(1) 諸論 3
(2) 相關研究 3
(3) 系統設計與架構 3
(4) 系統功能測試 3
(5) 結論及未來展望: 3
第二章 相關研究 4
2.1. 工業用通訊總線研究 4
2.2. 幾種常見的現場總線 4
2.3. 現場總線技術發展方向 7
2.4. 其他通訊界面研究 9
2.5. 遠端IO 控制模組類型研究 13
2.6. IO 模組架構研究 17
第三章 通訊系統設計與架構規劃 19
3.1. 主要系統架構規劃 19
3.2. 通訊系統架構規劃 19
(1) HSOT 控制板 20
(2) DEVICE IO 控制板 20
3.3. 硬體元件介紹 21
(1) Micro-Controller 21
(2) 現場可程式邏輯閘陣列(FPGA,Field Programmable Gate Array) 24
(3) 串列通訊的傳送接收器 27
(4) 通訊CABLE連接器 29
(5) 隔離器(Isolator) 29
3.4. 電路設計 31
(1) HSOT控制板電路架構 31
(2) DEVICE IO模組電路架構 31
(3) HOST 控制板電源架構 32
(4) DEVICE IO模組電源架構 33
(5) DSP TMS320F2812記憶體規劃 33
3.5. FPGA串列通訊協定制定 34
3.6. 成品介紹 35
(1) PCB LAYOUT 35
(2) Board Stack Up Definition 36
(3) PCB空板 37
(4) PCBA 成品 37
3.7. 通訊系統電路設計與驗證 39
(1) HOST通訊控制板 39
(2) DEVICE IO 模組板 46
(3) FPGA Digital IO 電路設計 47
第四章 系統驗證與比較 59
4.1. 通訊速度與資料IO比對 59
(1) 通訊封包格式驗證 59
(2) 通訊速度與訊號的衰減(傳輸距離長度30m)確認 60
(3) 通訊速度與資料準確性比對 62
(4) 傳輸距離與訊號衰減(速度20Mbps) 63
(5) 傳輸距離與資料準確性比對(速度20Mbps) 67
4.2. 應用功能測試與高速通訊IO模組應用範圍 68
(1) 遠端高速通訊IO模組應用範圍 69
(2) 應用驗證實例 70
(3) 驗證執行程序 72
(4) 驗證結果 72
4.3. 高速串列通訊IO模組成本分析與比較 73
4.4. 通訊介面傳送距離比較 74
第五章 結論與未來展望 75
5.1. 結論 75
5.2. 未來展望 75
參考文獻 76

表目錄

表2- 1 USB 版本速率比較 10
表3- 1 TMS320F281X 介面參數表 22
表3- 2 ALTERA EP1C3參數表 25
表3- 3 FPGA操作流程對照表 27
表3- 4 SN75179規格: 28
表3- 5 電源以及訊號隔離元件介紹表 30
表3- 6 通訊封包格式對應表 34
表3- 7 通訊規劃定義表 35
表3- 8 SN75179 規格: 44
表3- 9 Flow Control Command優先權定義 53
表4- 1 10Mbps 訊號量測 60
表4- 2 20Mbps 訊號量測 61
表4- 3 35Mbps 訊號量測 61
表4- 4 通訊速度與資料準確性比對表 63
表4- 5 CABLE 5公尺訊號量測 64
表4- 6 CABLE 10公尺訊號量測 65
表4- 7 CABLE 20公尺訊號量測 66
表4- 8 CABLE 30公尺訊號量測 67
表4- 9 通訊速度與資料準確性比對表 68
表4- 10 常用工業通訊總線比較表 69
表4- 11 功能性驗證設備 71
表4- 12 高速串列通訊IO模組與乙太網路IO模組成本比較表 73
表4- 13 資料傳送距離比較 74

圖目錄
圖1- 1 ASI 總線系統架構圖 5
圖1- 2 DeviceNet 應用架構圖 5
圖1- 3 PROFIBUS 應用架構圖 6
圖1- 4 CC-Link應用架構圖 7
圖2- 1 USB的相關應用產品 10
圖2- 2 RS232 通訊格式 12
圖2- 3 RS485 遠端IO架構 14
圖2- 4 Ethernet IO模組 15
圖2- 5 PROFI-BUS 應用圖 16
圖2- 6 專用IO模組 16
圖2- 7 串列通訊IO模組架構 17
圖2- 8 Ethernet IO模組架構 17
圖2- 9 特殊IO模組架構 18
圖3- 1 系統控制架構簡圖 19
圖3- 2 HOST 控制板架構 20
圖3- 3 DEVICE IO 控制板架構 21
圖3- 4 TMS320F2812 功能性架構圖 22
圖3- 5 TMS320F2812 (LQFP 176Pin包裝) 23
圖3- 6 Code Composer Studio 視窗介面 24
圖3- 7 Quartus 軟體視窗介面圖 26
圖3- 8 FPGA操作流程 26
圖3- 9 RJ45連接器PIN OUT定義圖 29
圖3- 10 HSOT控制板電路架構圖 31
圖3- 11 DEVICE IO模組電路架構圖 32
圖3- 12 控制板電源架構 32
圖3- 13 DEVICE IO板電源架構 33
圖3- 14 TMS320F2812 記憶體規劃圖表 34
圖3- 15 HOST 控制板佈線圖 35
圖3- 16 IO 模組板佈線圖 36
圖3- 17 PCB 六層板堆疊圖 37
圖3- 18 HOST 與IO PCB 空板圖 37
圖3- 19 HOST 與IO PCB 實體圖 38
圖3- 20 3.3V與1.9V電壓轉換電路圖 39
圖3- 21 2.5V與1.5V 電路圖 40
圖3- 22 DSP MEMORY BUS SIGNAL 方塊圖 41
圖3- 23 BUS訊號量測判定 42
圖3- 24 SRAM 與FPGA BUS訊號量測 42
圖3- 25 控制板通訊電路圖 43
圖3- 26 RS422 Transceiver 判斷圖示 45
圖3- 27 RS422 Transceiver 訊號量測圖示 45
圖3- 28 3.3V與5V 電壓轉換電路圖 46
圖3- 29 1.5V 電壓轉換電路圖 47
圖3- 30 Digital Input電路圖 47
圖3- 31 Digital Output電路圖 48
圖3- 32 Digital IO接線示意圖 49
圖3- 33 串列通訊邏輯架構圖 50
圖3- 34 通訊功能暫存器與記憶體配置圖 51
圖3- 35 DATA BUS 邏輯方塊圖 51
圖3- 36 功能暫存器存取邏輯方塊圖 52
圖3- 37 Baudrate CLK Generator邏輯方塊圖 52
圖3- 38 Flow Control 處理流程 53
圖3- 39 TX Linker 邏輯方塊圖 54
圖3- 40 TX Linker 處理流程圖 54
圖3- 41 UART TX 邏輯架構圖 55
圖3- 42 UART TX處理流程圖 55
圖3- 43 UART RX邏輯架構圖 56
圖3- 44 UART RX處理流程圖 56
圖3- 45 CRC-16 檢查法示意圖 57
圖3- 46 RX Linker 邏輯架構圖 58
圖3- 47 RX Linker 處理流程圖 58
圖4- 1 通訊封包訊號確認圖 59
圖4- 2 HMI通訊測試畫面圖 63
圖4- 3 HMI通訊測試畫面圖 68
圖4- 4 遠端通訊IO模組應用範圍 70
圖4- 5 功能性驗證架構圖 71
圖4- 6 實際環境架設圖 72

參考文獻
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