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基于IEC 1158標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線芯片設(shè)計(jì)

2022年電子技術(shù)應(yīng)用第4期

張立國(guó)1，劉強(qiáng)1，嚴(yán) 偉2，李福昆1，吳鵬飛2，王博2

1.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北秦皇島066000；2.北京大學(xué) 軟件與微電子學(xué)院，北京100871

摘要： 介紹了一種符合IEC 1158標(biāo)準(zhǔn)物理層現(xiàn)場(chǎng)總線芯片架構(gòu)及其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。芯片設(shè)計(jì)有曼徹斯特(Manchester)編解碼電路、循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check，CRC)電路、載波偵測(cè)電路、極性糾正電路等功能電路。內(nèi)置高級(jí)可擴(kuò)展接口(Advanced eXtensible Interface，AXI)電路作為與外置處理器的數(shù)據(jù)傳輸總線。完成了此芯片的全部RTL代碼編寫(xiě)工作，進(jìn)行了全面的時(shí)序仿真。并以ZYNQ-7015為硬件平臺(tái)，進(jìn)行了芯片功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的芯片達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： 現(xiàn)場(chǎng)總線 IEC1158 芯片設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915.04；TN431.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211554
中文引用格式： 張立國(guó)，劉強(qiáng)，嚴(yán)偉，等. 基于IEC 1158標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線芯片設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2022，48(4)：18-23.
英文引用格式： Zhang Liguo，Liu Qiang，Yan Wei，et al. Design of fieldbus chip based on IEC 1158 standard[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(4)：18-23.

Design of fieldbus chip based on IEC 1158 standard

Zhang Liguo1，Liu Qiang1，Yan Wei2，Li Fukun1，Wu Pengfei2，Wang Bo2

1.Institute of Electrical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066000，China； 2.School of Solftware & Microelectronics，Peking University，Beijing 100871，China

Abstract： This paper introduces a kind of physical layer fieldbus chip architecture and its implementation in accordance with IEC 1158 standard. The chip is designed with Manchester codec circuit, Cyclic Redundancy Check(CRC) verification circuit, carrier detection circuit, polarity correction circuit and other functional circuits. The high-speed interface circuit of Advanced eXtended Interface(AXI) is used as the data transmission bus with external processor. The task has completed the RTL code writing of this chip, and carried out a comprehensive time series simulation. The chip function test is carried out on ZYNQ-7015 as hardware platform. The test results show that the chip meets the design requirements.

Key words : fieldbus；IEC 1158；chip design

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線(Field bus)是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題^[1-6]。

IEC 1158標(biāo)準(zhǔn)定義的現(xiàn)場(chǎng)總線通信模型由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、用戶(hù)層四部分構(gòu)成^[7]。其中，物理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸并可為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電，總線數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼技術(shù)進(jìn)行編碼^[8-15]。本文所設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線芯片主要實(shí)現(xiàn)物理層功能以及部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與總線連接。并內(nèi)置AXI4總線接口，實(shí)現(xiàn)與CPU高速、安全的數(shù)據(jù)交互。

目前已有的符合IEC1158標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線芯片有中科博微的FBC0409、美國(guó)Smar公司的FB3050、日本Yamaha公司的YTZ420等。但上述芯片均不具備協(xié)議擴(kuò)展能力，僅能應(yīng)用于符合IEC 1158標(biāo)準(zhǔn)的特定現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，應(yīng)用領(lǐng)域單一。且由于與CPU交互時(shí)均使用私有協(xié)議，導(dǎo)致通用性較差。此外，受私有協(xié)議帶寬限制，以及這些私有協(xié)議不具備突發(fā)傳輸能力，導(dǎo)致芯片與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的時(shí)延較大。

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作者信息：

張立國(guó)1，劉強(qiáng)1，嚴(yán) 偉2，李福昆1，吳鵬飛2，王博2

(1.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北秦皇島066000；2.北京大學(xué) 軟件與微電子學(xué)院，北京100871)

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