硕士学位论文
AMBA AXI4总线的研究与实现
RESEARCH AND IMPLEMENTATION OF AMBA AXI4 BUS
杨舜琪
哈尔滨工业大学
2011年12月
国内图书分类号：TN47 学校代码：10213 国际图书分类号：621.3 密级：公开
工学硕士学位论文
AMBA AXI4总线的研究与实现
硕士研究生 ：杨舜琪
导 师 ：张岩教授
申请学位 ：工学硕士
学科 ：微电子学与固体电子学
所在单位 ：深圳研究生院
答辩日期 ：2011年12月
授予学位单位 ：哈尔滨工业大学
Classified Index: TN47
U.D.C: 621.3
Dissertation for the Master Degree in Engineering
RESEARCH AND IMPLEMENTATION
OF AMBA AXI4 BUS
Candidate：Shunqi YANG
Supervisor：Prof. Yan ZHANG
Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Microelectronics and Solid-State
Electronics
Affiliation：Shenzhen Graduate School
Date of Defence：December, 2011
Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
随着集成电路设计复杂度的提高和产品上市时间压力的增大，基于IP核复用的SoC（System on Chip）设计已经成为一种重要的设计方法。总线桥的设计和IP核的互连问题已经成为SoC平台中最重要的课题。IP核互连的方法，总线桥的设计以及总线协议决定了SoC平台的性能。AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）总线规范由ARM公司定义。它是一组基于ARM核的SoC通信的标准协议。最新的AMBA 4.0总线协议具有带宽高、延迟小和设计灵活等诸多优点，它目前已成为业界首选的高性能总线标准。
本文分析并比较了Wishbone总线标准与AMBA 4.0总线标准的异同。根据AMBA 4.0总线标准中AXI4协议和AXI4-Lite协议，设计并实现了总线桥以及互连模块的VLSI结构。本文研究内容主要包含以下三个部分：
首先，为了扩充AXI4总线可使用的IP核资源，本文设计了基于Wishbone 总线和AXI4总线的总线桥IP核，包括把基于Wishbone总线的主设备集成到AXI4总线系统的WB/AXI4总线桥，把基于Wishbone总线的从设备集成到AXI4总线系统的AXI4/WB总线桥，把基于Wishbone总线的主设备集成到AXI4-Lite总线系统的WB/AXI4-Lite总线桥和把基于Wishbone总线的从设备集成到AXI4-Lite总线系统的AXI4-Lite/WB总线桥。
其次，本文设计了基于AXI4总线的两种互连结构，包括交叉开关（crossbar switch）和分享型总线（share bus）。两种互连结构设计主要模块包括地址解码器和仲裁器。
最后，本文针对设计的总线桥和互连结构，使用Verilog HDL语言进行了硬件实现，在ModelSim环境下通过了功能验证，使用ISE13.1工具进行逻辑综合，分析比较了各IP核的性能。
从验证和综合来看，本文的IP设计严格遵循Wishbone总线和AMBA4.0总线的协议规范，WB/AXI4总线桥，AXI4/WB总线桥，WB/AXI4-Lite总线桥和AXI4-Lite/WB总线桥在Xilinx公司Virtex5的FPGA芯片上达到的时钟频率分别279MHz，346 MHz，442 MHz和427 MHz，AXI4总线的交叉开关互连结构在284MHz的工作频率下，拥有22.5Gbps的数据吞吐量，AXI4总线的分享型互连结构在342MHz的工作频率下，拥有6.7Gbps的数据吞吐量，说明各IP 核都具备高速的数据传输能力，完全可以胜任实际应用。
关键词：互连总线；AMBA AXI4总线；Wishbone总线；协议转换
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Abstract
With the improvement of IC design complexity and market pressure, SoC (System on Chip) design based on IP core reuse has become an important design approach. Then, bus bridge design and interconnect IP cores have become the most important issue in SoC platform. Interconnect IP core, the design of the bus bridge and bus protocol determine the performance of SoC platform. AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture) bus specification defined by ARM company is a set of ARM core-based SoC communication standard protocol. The latest AMBA 4.0 bus protocol with high bandwidth, low delay and design flexibility has become the choice of industry standard.
This project analyzes and compares the Wishbone bus and AMBA 4.0 bus. According to AXI4 protocol and AXI4-Lite protocol of AMBA 4.0 bus standard, the VLSI architectures of bus bridges and interconnect modules were designed and implemented in this dissertation. This research mainly includes the following three parts:
First, in order to expand the IP core resources for AXI4 bus, based on Wishbone bus and AXI4 bus, this dissertation designed bus bridge IP cores, including WB/AXI4 bus bridge designed to integrate master devices based on Wishbone bus into an AXI4 bus system, AXI4/WB bus bridge designed to integrate slave devices based on Wishbone bus into an AXI4 bus system, WB/AXI4-Lite bus bridge designed to integrate master devices based on Wishbone bus into an AXI4-Lite bus system, AXI4-Lite/WB bus bridge designed to integrate master devices based on AXI4-Lite bus into a Wishbone bus system.
Secondly, this dissertation designed two interconnect structures on AXI4 bus, including cross-switch and share-bus. Both of interconnect structures contained the main modules with address decoder and arbiter.
Finally, all designs of the bus bridge and interconnect architecture were implemented into hardware by Verilog HDL language in the ModelSim environment. The analysis and comparison for the performance of all IP cores was completed by logic synthesis tools--ISE13.1.
Results proved that all of IP designs strictly following the AMBA4.0 bus protocol specification and the Wishbone bus protocol specification. WB/AXI4 bus bridge, AXI4/WB bus bridge, WB/AXI4-Lite bus bridge and AXI4-Lite/WB bus bridge reached the clock frequency of 279MHz, 346 MHz, 442 MHz and 427 MHz under Virtex5 FPGA of Xilinx, AXI4 bus crossbar interconnect structure reach data throughput of 22.5 Gbps at the operating frequency of 284MHz, AXI4 bus
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shared-bus interconnect structure reach data throughput of 6.7Gbps at the operating frequency of 342MHz, indicating that the IP cores are equipped with high speed and performance data transmission capability, fully adopt for practical application.
Keywords: Interconnect bus, AMBA AXI4, Wishbone, protocol exchange
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目录
摘要 .......................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................ II 第1章绪论 .. (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 国内外相关技术发展历史和现状 (1)
1.2.1 片上总线的发展 (1)
1.2.2 AMBA4.0总线产生的背景 (2)
1.2.3 AMBA4.0总线的发展趋势 (2)
1.3 本课题研究的目的及意义 (2)
1.4 本文的主要研究内容 (3)
第2章AMBA4.0总线和Wishbone总线分析 (4)
2.1 概述 (4)
2.2 AXI4总线协议 (4)
2.2.1 AXI4总线简介 (4)
2.2.2 AXI4总线信号描述 (5)
2.2.3 AXI4总线的特性 (6)
2.2.4 AXI4-Lite总线简介 (9)
2.3 Wishbone总线协议 (10)
2.3.1 Wishbone总线简介 (10)
2.3.2 Wishbone总线信号描述 (10)
2.3.3 Wishbone总线的特性 (10)
2.4 AMBA4.0总线和Wishbone总线分析 (11)
2.5 本章小结 (12)
第3章AXI4总线桥的设计和实现 (13)
3.1 AXI4总线桥总体设计及功能划分 (13)
3.1.1 AXI4总线桥总体设计 (13)
3.1.2 AXI4总线桥功能划分 (13)
3.2 WB/AXI4总线桥的设计和实现 (14)
3.2.1 WB/AXI4总线桥的设计 (14)
3.2.2 WB/AXI4 总线桥的实现 (17)
3.3 AXI4/WB总线桥的设计和实现 (20)
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3.3.1 AXI4/WB总线桥的设计 (20)
3.3.2 AXI4/WB总线桥的实现 (24)
3.3 WB/AXI4-Lite总线桥的设计和实现 (29)
3.3.1 WB/AXI4-Lite总线桥的设计 (29)
3.3.2 WB/AXI4-Lite总线桥的实现 (29)
3.4 AXI4-Lite/WB总线桥的设计和实现 (31)
3.4.1 AXI4-Lite/WB总线桥的设计 (31)
3.4.2 AXI4-Lite/WB总线桥的实现 (32)
3.5 本章小结 (33)
第4章AXI4互连结构的设计和实现 (34)
4.1 AXI4总线的互连结构 (34)
4.2 AXI4总线交叉开关互连结构的设计和实现 (34)
4.2.1 AXI4总线交叉开关互连结构的设计 (34)
4.2.2 AXI4总线交叉开关互连结构的实现 (37)
4.3 AXI4总线分享型互连结构的设计和实现 (40)
4.3.1 AXI4总线分享型互连结构的设计 (40)
4.3.2 AXI4总线分享型互连结构的实现 (41)
4.4 本章小结 (43)
第5章AXI4总线性能分析与FPGA测试 (44)
5.1 AXI4总线桥的性能分析 (44)
5.2 AXI4总线互连结构的性能分析 (45)
5.3 AXI4-Lite SoC系统的FPGA仿真综合及实现 (46)
5.4 本章小结 (50)
结论 (51)
参考文献 (52)
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (55)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 (56)
致谢 (57)
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第1章绪论
1.1 课题背景
集成电路（Integrated Circuit，IC）发展的开始阶段，电路工程师都直接在物理版图层完成设计，在一定程度上限制了IC产业的发展。直到集成电路单元库的出现，逻辑级的设计成为主流技术，扩大了集成电路设计的参与者，IC 产业进入到空前发展的阶段[1]。然而IC芯片并不是一个完整的应用系统，只有通过印制电路板技术才能发挥它的效用。随着信息技术的发展，电路复杂度的提升，工艺水平的提高，集成电路IC向SoC的转变成为发展的必然结果。
SoC（System on Chip）被称为系统级芯片，SoC芯片是一个完整的系统包括软件和硬件并且具有一定的专用目的[2]。SoC在各种各样的嵌入式系统中发挥着非常重要的作用。SoC技术将硬件模块（如处理器，控制器）以IP （Intelligent Property）核的形式集成到单个芯片上[3]。一直以来，SoC产业的发展出现了大量的SoC衍生品——IP核，IP核的重用技术节省了生产成本和时间[4]。随着芯片生产技术的发展，将一些特殊功能嵌入到独立SoC中的需求一直都在增加[5]。SoC芯片包含了一个完整的系统，而且具备多种优秀的性能，如体积小，速度快以及功耗低[6]。SoC的各种优点非常适合应用于通信、计算机、消费电子、交通运输等产业[7]。
在SoC技术高速发展的阶段，IP核之间的总线通信协议变得非常重要[8]。基于总线标准的IP核可以集成到一个SoC芯片上，实现了IP核资源的重用，极大地推动了SoC技术的发展[9]。
1.2 国内外相关技术发展历史和现状
1.2.1 片上总线的发展
最初的总线是将不同的IC集成到同一个系统中，保证各个IC之间的通信。随着集成电路的发展以及制作工艺的提高，出现了将不同功能的IP核集成到同一个芯片中的片上总线（On Chip Bus，OCB）[10]。目前，通过OCB，大多数的IP核都可以与处理器或其他的IP核资源集成在一起。虽然传统总线与片上总线有许多相似之处，但是传统的总线却不适于当作片上总线。因为片上总线具有以下特点：支持多个主设备与多个从设备进行数据传输，设计简单灵活，占用的逻辑资源少，功耗低等[11]。
面对种类繁多的总线标准，设计者在集成各种IP核的时候需要花费大量
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的时间和精力。随着SoC技术发展的加快，总线接口及互连技术从IP核的设计中分离出来，形成总线标准协议。
1.2.2 AMBA4.0总线产生的背景
当前，片上总线还没有统一的标准，各大组织和公司都推出自己的总线标准，其中比较成熟的片上总线有Avalon总线[12]，CoreConnect总线[13]，Wishbone总线[14]和AMBA总线[15]。其中，由ARM公司推出的AMBA片上总线标准已经成为业界的标准片上总线，受到了SoC系统集成者的青睐[16]。
目前，AMBA总线标准一共有四套版本，各个版本的协议都沿用至今。刚开始AMBA1.0只包含ASB总线和APB总线，这时候的总线协议都是三态总线，但是三态总线要设计者花很多的精力去注意时钟，所以AMBA2.0总线新增了AHB总线，并且采用了分享型的互连结构，增加了新的特性[17]。为了顺应快速发展的SoC技术，ARM公司推出了具有更强灵活性的AMBA3.0 AXI总线。2010年ARM公司发布了SoC片上总线标准的新版本AMBA4.0总线，由AXI4、AXI4-Lite、AXI4-Stream三种标准构成。AMBA4.0规范是多家企业共同为行业而设定的，包括业界领先的OEM厂商、半导体及EDA供应商等[18]。AMBA4.0规范的特殊设计将使嵌入式系统达到过去只有台式电脑、笔记本电脑和网络设备才能达到的水准。
1.2.3 AMBA4.0总线的发展趋势
在SoC系统的设计中，选择总线的一个重要标准为其应用范围，也就是基于该总线IP核资源的丰富程度[19]。AMBA4.0总线新增了三个新的接口协议：AXI4总线有助于最大化性能和能效；AXI4-Lite总线和AXI4-Stream总线是FPGA实现的理想选择。AMBA4.0总线是标准接口规范，可确保不同IP核的兼容。整个半导体行业基本上都采用AMBA规范，这促使了兼容的IP产品和工具市场的完善，为基于AMBA总线的系统设计提供相应的支持[20]。AMBA 总线声明的推广加快了整个产业的广泛参与。目前市场上的应用产品都是基于AMBA2.0总线和AMBA3.0总线，基于AMBA4.0总线的应用产品还比较少，但是AMBA4.0总线的广泛应用只是一个时间的问题。
1.3 本课题研究的目的及意义
AMBA4.0总线标准不但具有优异的性能，而且拥有广泛的应用范围。互连结构的设计影响着SoC系统的整体性能，是数据可以高速传输的保证[21]。尽管Xilinx公司的V7系列开发板提供AXI4总线的互连结构IP，但其受知识产
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权保护。因此，该IP核不具备可移植性，性能上也不可能获得全面的优化。所以本论文对AXI4总线的互连结构IP进行了研究与实现，为AXI4总线的实际应用提供了一些参考。在SoC系统的设计中，为了扩充总线可使用IP资源，需要设计总线桥来完成两端数据的传输以及协议的转换[22]。总线桥还可以将基于不同总线设计的IP核的移植变得更加容易，提高IP核的重复使用率[23]。
本课题基于ABMA4.0协议设计了两个互连结构。一个是复杂的交叉互连结构，它能高速地传输大量的数据；另一个是简单的分享型总线互连结构，它能以最精简的设计和最少的逻辑资源来完成数据的传输[24]。本课题还研究了AMBA4.0总线协议和Wishbone总线协议的异同，完成总线桥的设计和验证。一方面通过分析比较两个互连结构的性能，对基于AXI4总线互连结构的优化设计进行深入的分析；另一方面也为不同片上总线之间的总线桥设计以及IP 核移植做了实践。
1.4 本文的主要研究内容
本文的主要研究内容是关于AMBA4.0总线的AXI4总线和AXI4-Lite总线的硬件实现，具体包括AXI4总线和AXI4-Lite总线互连结构，AXI4总线与Wishbone总线的总线桥，AXI4-Lite总线与Wishbone总线的总线桥的设计和实现。主要做了以下工作：
（1）充分研究AMBA4.0总线协议中的AXI4总线和AXI4-Lite总线部分。
（2）根据AXI4协议规范和AXI4-Lite协议规范设计了AXI4总线互连结构，AXI4/WB总线桥，WB/AXI4总线桥，AXI4-Lite/WB总线桥，WB/AXI4-Lite总线桥，完成了各功能模块的划分。
（3）完成了各模块的RTL实现，在ModelSim测试平台中仿真结果正确，并通过Xilinx FPGA测试。
本文内容安排如下：
第一章是绪论，介绍了课题来源，AMBA4.0总线的产生背景以及发展趋势；第二章主要介绍了AXI4规范和AXI4-Lite规范，包括接口信号规定，握手协议，基本的传输方式和传输类型，重点分析了AXI4总线与Wishbone总线的异同；第三章详细阐述了四个总线桥的各功能模块，重点介绍关键模块的RTL实现和功能仿真；第四章详细阐述了AXI4总线的交叉开关互连结构和分享型互连结构的各功能模块，重点介绍关键模块的RTL实现和功能仿真；第五章比较分析了四个总线桥的性能，接着比较了AXI4总线交叉开关互连结构和分享型互连结构的性能，最后详述了AXI4-Lite SoC系统的调试过程并总结了在FPGA Xilinx V2平台上的验证结果；最后对本论文做了一个总结。
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第2章AMBA4.0总线和Wishbone总线分析
2.1 概述
AMBA4.0总线是AMBA3.0 AXI总线的继承和提升，增加了三个新接口协议：AXI4总线，AXI4-Lite总线和AXI4-Stream总线。AMBA4.0接口协议目标是适合于高带宽和低延迟的系统设计；在不使用复杂的总线桥设计下，比AMBA3.0总线拥有更高的传输速率；满足通用情况下的接口要求；适用于复杂的存储器控制器；具备灵活的互连结构设计；兼容旧版本的AMBA总线接口（AHB接口和APB接口）[25]。
Wishbone总线先是由Silicore公司在2002年提出的总线标准，目前由OpenCores组织维护[26]。由于其开放性和设计特点，现在已经有不少的用户群，现在很多免费的IP核都采用Wishbone总线标准，接口都遵循Wishbone协议规定。Wishbone总线主要特点是其结构简单，传输灵活，而且完全公开免费，特别值得注意的是它的片上总线结构和信号端口都非常适合于可重用IP 核的实现[27]。
2.2 AXI4总线协议
2.2.1 AXI4总线简介
AXI4总线是一种多通道并以突发传输为机制的总线，读地址、写地址、读数据、写数据、写反馈在不同的通道中传输[15]1-5。独立的传输通道能够同时读写传输，具有更小的传输延迟[28]。不同的操作访问之间顺序可以打乱，用总线ID来表示写响应和读数据反馈的归属。主设备在上一个传输没有完成的情况下可以连续发起多个未完成读写操作。对于实际应用中的简单低速外设则可以采用AXI4-Lite总线。
AXI4-Lite总线也是精简的AXI4总线。AXI4-Lite总线标准不支持突发传输方式，可以将其突发传输长度视为1，因此不具备突发传输的信号端口。与AXI4的规定类似，AXI4-Lite总线也拥有五个独立的传输通道，分别为读地址通道、读数据通道、写地址通道、写数据通道和写响应通道。特别值得注意的是AXI4-Lite总线只支持32位和64位的数据位宽。
AXI4-Stream总线是以突发传输为机制并且没有突发长度限制的总线。没有地址通道，没有读写使能，一般情况都是写数据从主设备到从设备的传输。
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AXI4协议包括了主设备（master）与互连结构之间，从设备（slave）与互连结构之间，以及主设备与从设备之间的连接。互连结构的设计具备多个主设备接口和从设备接口，能够处理设备之间的连接问题。
典型的互连方式有三种：分享型（share bus）的地址和分享型的数据，分享型的地址和交叉开关互连型（crossbar switch）的数据，交叉开关互连型的地址和交叉开关互连型的数据。在本文中，AXI4总线的交叉开关互连模块采用的是交叉开关互连型的地址和交叉开关互连型的数据的互连方式，分享型总线互连模块采用的是分享型的地址和分享型的数据互连方式；AXI4-Lite总线的互连模块采用的是分享型的地址和分享型的数据的互连方式。图2-1是典型的AXI4总线互连结构。
图2-1 接口和互连
2.2.2 AXI4总线信号描述
AXI4总线接口信号包括总线的系统时钟clk，总线的系统复位信号rst以及五个传输通道的信号。表2-1按照五个传输通道的顺序分别介绍各接口信号的功能。
表2-1 AXI4总线信号说明
信号I/O 位宽描述
clk I 1 时钟输入
rst I 1 系统复位信号
m_awid I 4 写地址通道中的写地址ID
m_awaddr O 32 写地址通道中的32位写地址总线
m_awlen I 4 写地址通道中的突发长度
m_awburst I 2 写地址通道中的突发传输数据位宽
m_awsize I 3 写地址通道中的当前突发传输类型
m_awvalid O 1 写地址通道中的写地址有效
m_awready I 1 写地址通道中的写地址准备接收有效
m_wdata O 32 写数据通道中的32位写数据总线
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信号I/O 位宽描述
m_wvalid O 1 写数据通道中的写数据有效
m_wready I 1 写数据通道中的写数据准备接收有效
m_bresp I 2 写数据通道中的写反馈信号
m_bvalid I 1 写数据通道中的写反馈有效
m_bready O 1 写数据通道中的写反馈准备接收有效
m_arid O 4 读地址通道中的读地址ID
m_araddr O 32 读地址通道中的32位读地址总线
m_arlen O 4 读地址通道中的突发长度
m_arsize O 3 读地址通道中的突发传输数据位宽
m_arburst O 2 读地址通道中当前的突发类型
m_arvalid O 1 读地址通道中的读地址有效
m_arready I 1 读地址通道中的读地址准备接收有效
m_rdata I 32 读数据通道中的32位读数据总线
m_rvalid I 1 读数据通道中的读数据有效
m_rready O 1 读数据通道中的读数据准备接收有效
2.2.3 AXI4总线的特性
AXI4是通过握手来实现传输控制的，本部分主要介绍AXI4各通道的握手方式以及基本的突发读写操作过程。
AXI4的五个独立通道的握手都是通过一对VALID/READY信号互相配合完成的，通过握手机制来控制数据传输的速率。具体的握手方式为发送方（包括主设备和从设备）通过置高VALID信号指示数据已经发送到总线上，接受方通过置高READY信号表示可以接收数据。当信号VALID与READY同时为高的情况下通道才会发生数据的传输[15]3-2。
读写通道是完全独立的，所以读写时序没有依赖关系。但写通道中的地址通道，数据通道和写响应通道之间有一定的时序要求。同样，读通道中的地址通道和数据通道之间也有一定的时序要求。具体的时序要求如图2-2和图2-3所示，其中单箭头表示箭头指向的信号可以在前一个信号之前或之后置为有效，而双箭头则表示箭头指向的信号必须在前一个信号有效后才能置为有效。
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ARVALID
ARREADY RVALID
RREADY AWVALID
AWREADY
WVALID
WREADY
BVALID
BREADY
图2-2 读传输的握手[12]3-6图2-3 写传输的握手[12]3-6
从图2-2和图2-3可以看出，在写传输通道中只有信号bvalid受信号wvalid 和信号wready限制，也就是说只有当信号wvalid和wready都已经置为有效的时候信号bvalid才能置为有效。写传输通道中的其他信号都没有非常严格的时序要求。在读传输通道中只有信号rvalid受信号arvalid和信号arready限制，也就是说只有当信号arvalid和arready都已经置为有效的时候信号rvalid才能置为有效。读传输通道中的其他信号也没有非常严格的时序要求。
AXI4总线是AMBA4.0协议中基于突发传输(burst)的部分。AXI4突发传输的特点是在地址通道中只传输首地址和带有数据信息的控制信号，数据是以数据串的形式在数据通道中传输的。写通道的突发传输具体情况如图2-4所示，主设备(master)发起首地址和带有数据信息的控制A，然后将准备好的写数据a1放到总线上，等待从设备(slave)准备接收数据时，完成写数据通道的握手，第一个写数据的传输完成。主设备接着将准备好的第二个数据a2放到总线上，完成握手后接着传输a3，a4。当首地址A所要传输的四个数据都成功发送到从设备的时候，从设备分析控制信息，在写反馈通道发出写响应。由于写地址通道和写数据通道是独立的传输通道，而写地址通道又只传输目标首地址，所以写地址通道的数据吞吐量远远小于写数据通道。
图2-4 写传输通道架构
AXI4协议中特别提出了分裂传输（outstanding功能），就是写地址通道可以连续发起多个未完成的目标首地址，地址和数据之间具有流水的关系[1]。写通道的分裂传输具体过程如图2-4所示，主设备在写地址通道连续发起首地址A和B，写数据通道就连续发送准备好的数据。当a1，a2，a3，a4传输完成后，在还未接收到A的写反馈R情况下，主设备紧接着连续发起首地址为B的
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写数据b1和b2。写数据通道还在传输b1的同时，主设备又发起首地址为C 的写操作。当主设备准备好要传输的数据c1和c2时，写数据传输通道立刻开始传输。
图2-5是写传输通道的典型时序图，图中的写传输与图2-4对应，其中AW 对应的是写地址通道，W 对应的是写数据通道，B 对应的是写响应通道。信号VALID 和信号READY 同时有效时完成握手。
0ns 50ns 100ns 150ns
ACLK
AWADDR
AWVALID
AWREADY
WDATA
WVALID
WREADY
WLAST
BRESP
BVALID
BREADY
图2-5 写传输通道的典型时序
读通道的突发传输具体情况如图2-6所示，主设备发起首地址和带有数据信息的控制A ，当从设备接收到首地址和带有数据信息的控制后，从设备分析所有的信息，将主设备要读出的数据a1发送到读数据通道的总线上。如果此时主设备准备好接收读数据，读数据通道完成握手。接着从设备发送第二个数据a2。读通道也具有分裂传输的功能，读地址通道可以连续发起多个未完成的目标首地址。
图2-6 读传输架构
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读通道的分裂传输功能如图2-6所示，主设备在读地址通道连续发起首地址A 和B ，在读数据通道连续接收来自从设备的读数据。当a1和a2传输完成后，从设备接着发出首地址为B 的读数据b1，b2，b3，b4。读数据通道还在传输b2的同时，主设备发起首地址为C 的传输。首地址为A 和B 的传输都完成的时候，如果首地址为C 的数据已经准备好，从设备就将c1和c2都放到读数据通道的总线上。此时若主设备准备好接收读数据，读数据传输完成。
图2-7是读传输通道的典型时序图，图中的写传输与图2-6对应，其中AR 对应的是写地址通道，R 对应的是写数据通道。信号VALID 和信号READY 同时有效时完成握手。
0ns 50ns 100ns 150ns
ACLK
ARADDR
ARVALID
ARREADY
RDATA
RVALID
RREADY
RLAST
图2-7 读传输通道的典型时序图
2.2.4 AXI4-Lite 总线简介
AXI4-Lite 总线是AXI4总线的一个子集，为设计者提供了一种可以与简单外设相连的总线协议。AXI4-Lite 总线的接口和资源消耗都要少于AXI4总线，与此同时，又能很好的与AXI4接口兼容。AXI4-Lite 适用于对速率和数据吞吐量要求不是很高的简单外设，既可以保证数据的传输又可以减少设计的硬件消耗。
相对于AXI4总线，AXI4-Lite 协议规定了其主要特征包括：
（1）所有传输的突发长度（BURST LENGTH ）为1；
（2）接入数据的宽度与数据总线的宽度相等；
（3）数据总线的宽度只能是32或者64。
其实，AXI4-Lite 总线与AXI4总线基本完全相同，依然有五个独立的传输通道，只是AXI4-Lite 总线不支持突发传输方式，所以一个地址传输对应于一个数据，也就是传输的突发长度为1。
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2.3 Wishbone总线协议
2.3.1 Wishbone总线简介
Wishbone总线的体系结构与AMBA4.0总线的体系结构非常类似，所有的应用都使用一个总线体系结构。Wishbone总线结构简单，互连灵活，由终端用户自定义互连结构，包括交叉开关，分享型总线以及数据流互连[29]。其中数据流互连与AXI4-Stream总线互连类似，用于数据的连续传输。Wishbone协议只规定了一种高速度的总线，没有特别提出低速总线的设计。Wishbone总线只有数据通道和地址通道，读写传输共用两个传输通道。
2.3.2 Wishbone总线信号描述
表2-2 Wishbone总线信号说明
信号I/O 位宽描述
clk I 1 时钟输入
rst I 1 系统复位信号
wb_data_o O 32 读出主设备或从设备的数据位宽
wb_data_i I 32 写入主设备或从设备的数据位宽
wb_addr_i I 32 地址通道的位宽
wb_cyc_i I 1 一个有效的总线周期正在执行
wb_stb_i I 1 一个有效的数据传输周期正在执行
wb_sel_i I 4 标识数据的有效字节
wb_we_i I 1 传输通道的读写使能端
wb_ack_o O 1 传输完成响应
Wishbone总线接口信号包括总线的系统时钟clk，总线的系统复位信号rst 以及各信号。表2-2介绍的是基于Wishbone总线从设备各接口信号的功能描述。从设备端口信号的反向传输就是主设备的接口信号。
2.3.3 Wishbone总线的特性
基于Wishbone总线的主设备的端口时序图如图2-8所示，若是基于Wishbone总线的从设备的端口时序图与其类似，只是端口的传输方向刚好相反。从图中可以看出，Wishbone总线读写共用地址线和数据线，区分读写传输的是信号WE_O。目标地址为A1和A2的传输为写传输，因为信号WE_O为1。反
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之，目标地址为B1和B2的传输为读传输。目标地址与数据相互锁定，是一一对应的关系。在写突发传输中，总线周期信号CYC_O 有效，数据周期信号STB_O 有效，第一个数据a 开始传输，从设备相应信号ACK_I 有效，表示握手完成第一个数据传输成功。第二个数据a 接着传输，目标地址为A2，同样完成握手数据传输成功。在读突发传输中，目标地址为B1，总线周期信号CYC_O 有效，数据周期信号STB_O 有效，当从设备发出反馈响应信号ACK_I 时，发出从目标地址读出的第一个读数据b ，完成握手。此时，第二个目标读地址还没准备好，所以数据周期信号STB_O 置为0但总线周期信号CYC_O 依然保持有效。待目标地址准备好后，数据周期信号STB_O 置为有效，完成握手第二个数据传输成功。第三个读数据传输也类似。
0ns 50ns 100ns 150ns
WCLK
ADDR_O
DAT_O
DAT_I
SEL_O
WE_O
CYC_O
STB_O
ACK_I
图2-8 Wishbone 总线的典型时序图
2.4 AMBA4.0总线和Wishbone 总线分析
在一个SoC 中，有处理器、存储器和很多各种各样的设备，要让它们高效率并高速度地工作，设计中需要一个高性能的片上总线标准[30]。高性能的片上总线有设计简单灵活，功耗低，面积小，数据吞吐量高等特点，从而让设计者在获得优异性能的同时降低相应的成本[31]。Wishbone 总线是完全免费的总线标准，opencore 的免费IP 核基本都采用Wishbone 总线接口。为了扩充AXI4总线的可使用IP 资源，充分使用基于Wishbone 总线的IP 核，本论文设计了连接AXI4总线和Wishbone 总线的总线桥。而总线桥的设计首先要分析比较两种协议的异同。Wishbone 协议和AXI4协议有以下重要区别：
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（1）Wishbone协议规定读写操作不分离，使用同一个数据和地址通道，所以总线占用的时候，可能是读传输也可能是写传输；AXI4协议有五个独立的传输通道，可以同时读传输和写传输。
（2）Wishbone协议的突发传输仅仅将信号wb_cyc_i置为有效，直到整个突发传输结束，并没有给出突发传输的各种控制信息来说明其突发类型，突发长度等；AXI4协议规定先将突发传输的控制信号和首地址同时发送给从设备，然后才将数据发出，并在突发传输完成的时候给出写响应信号。
（3）Wishbone协议的数据传输和对应的地址传输都同时在总线上进行，是一一对应的关系，也就是数据传输的对应地址就是传输的目标地址；AXI4协议不需要发送所有的目标地址，只要求传输首地址，数据传输的目标地址是根据首地址和控制信号确定的。
（4）AXI4总线可以连续发起多个未完成的地址的分裂传输（即outstanding 功能）；Wishbone没有这项特殊功能。
（5）Wishbone总线的信号端口比较简单，没有说明传输类型等；而AXI4总线的信号端口却比较复杂，有专门带有数据信息的控制信号以便从设备能对传输进行分析。
由于Wishbone协议和AXI4协议的以上不同，导致总线桥设计的困难，也是本论文的设计难点。为了遵循总线桥对时序的严格要求及成功完成数据传输，必须深刻理解两种协议的重要不同点。在接下来两个章节各个子模块的设计中，特别是WB/AXI4和AXI4/WB总线桥子模块，针对上面提到的协议差异采取了相应的处理办法，为IP总线桥的设计积累了经验。
2.5 本章小结
本章主要介绍了AMBA4.0总线协议，详细分析了AXI4总线的端口信号，握手协议，基本传输和传输类型，简要介绍了AXI4-Lite总线，重点分析了其总线相对于AXI4总线的异同。最后深入分析了AMBA4.0总线协议和Wishbone协议的异同，为接下来的设计实践奠定了理论基础。
现场总线基础知识 现场总线技术综述 现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点。 具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。 一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。 现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准。其中有较强实力和影响的有:FoudationFieldbus （FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。本文将在简要描述现场总线技术特点的基础，紧扣系统的可靠性、实用性等，介绍现场总线网络结构、体系结构等关键技术及目前较为流行的几种有实力的现场总线技术的现状，最后阐述现场总线的发展趋势与技术展望。 一、现场总线的技术特点 1、系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 2、互可操作性与互用性，这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 3、现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等
摘要：研究了以太网和CAN总线间的互联技术。通过分析以太网和CAN总线的网络模型，给出了实现以太网和CAN 总线互联的核心设备——Ethernet/CAN网关的模型结构，并在此模型的基础上给出了基于ARM7微处理器的网关硬件设 计方案和软件流程。 关键词： CAN 以太网网关设计 现场总线（Field Bus）在工业控制领域得到了广泛的应用。而以太网(Ethernet)以其廉价和开放的特点成为最普及的局域网技术，它是构筑互联网的基础。现场总线通信数据量小，可靠性高。而以太网通信数据量大，速度快。10M/100M的以太网目前已经非常成熟。将以太网作为信息传递的主干网，连接现场总线和其他高级设备的新型网络结构 是工业控制网络的发展趋势。 在这种新的工业控制网络中，以太网不仅是主干网，而且可与现场总线相互交换数据。所以工业控制网络不仅可以深入到控制现场的各种设备，还可以借助互联网实现对现场设备的远程调试和故障诊断。要将现场总线接入以太网，关键是设计以太网和现场总线间的网关，从而实现2个网络间的数据传输。 不同的现场总线，因其通信协议不同，需要设计不同的网关。本文主要讨论目前在现场总线中应用较多的CAN(Control Area Network)总线和以太网间网关(Ethernet/CAN Gateway)的设计。其网络结构如图1所示。 1 网关的模型 Ethernet/CAN网关连接的是2个通信协议和结构完全不同的网络。对于Ethernet/CAN网关来说，它的工作实际上是对信息重新封装以使它们能够被Ethernet或CAN网所读取。为了完成这项任务，网关必须能运行在OSI模型的几个层次上。下面先讨论OSI和Ethernet以及 CAN的网络模型。 OSI是国际标准化组织（International Standardization Organization，ISO)为实现开放系统互连而建立的模型，其目的是为异种计算机间的互连提供一个共同的基础和标准框架，并为保持相关标准的一致性和兼容性提供共同的参 考。OSI参考模型如图2所示。 OSI模型共有7层。每一层的功能都是独立的，而且利用下一层所提供的功能为上一层服务。物理层是第1层，应用层是第7层。每层的具体功能和定义可以参阅有关书籍。在OSI模型中，1～3层为底层，实现传输功能。网络和终端都具备此功能。4～7层为高层，实现通信处理，通常用网络终端来实现。Ethernet和CAN的网络模型都只支持OSI所
Ethernet & Serial Gateways以太网和串行网关 更多详情，请点击 型号：SNL2-E SINEC-L1、SNL2-E GEM80 (HDLC-UNC)、SNL2-E Ethernet/RS232/RS485
1、SNL2-E SINEC-L1 SNL2-E – Serial Network Link with Socket Interface SNL2-E SINEC-L1网关—实现SINEC-L1网络和以太网网络连接的最佳工具，速度高达100 Mbit/s 。 COMSOFT的SNL2-E SINEC-L1网关支持SINEC-L1操作，带广播和中断处理功能。通过TCP/IP套接字接口很容易地访问所连的SINEC-L1从站的数据。还提供了附加的诊断信息。该网关能够在闪存中存储已有的配置（轮询表和警报列表），每次启动时它便会自动加载这些信息。 Access via TCP/IP Socket Interface通过TCP/IP套接字接口访问 只要发出接收-发送信号，便能通过TCP/IP套接字接口访问SNL2-E SINEC-L1网关。该接口是独立于操作系统的。在PC或者工作站中，不需要安装驱动器，只需要一个可用的TCP/IP连接。 相比传统PC通讯板，SNL2-E 为基于PC的系统提供了全新的功能： ?硬件/驱动器安装不会出现以前常见的问题。 ?可以从网络中的任意一台PC访问SINEC-L1接口。 ?毫无故障地将系统从较低的自动化水平提高到控制和设计水平。 2、 SNL2-E GEM80 (HDLC-UNC) SNL-2E –带套接字接口的串行网络连接。Serial Network Link with Socket Interface SNL2-E GEM80 (HDLC-UNC) Gateway –以高达100 Mbit/s的速度实现HDLC-UNC网络和Ethernet网络的连接。 该网关支持高达180 Kbit/s速度的操作，并能够用作主站或从站。它非常适用于GEM80 可编程逻辑控制器PLC。这些PLC是很普遍使用的，并经常通过星网协议通讯。我们的SNL2-E GEM80 (HDLC-UNC) 网关可以将它们连接到Ethernet网络，融合了最新的MES, ERP 和SCADA系统。
现场总线技术及其应用研究 中文摘要: 现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在多方面的优越性，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。本文从多个方面介绍了现场总线技术的种类、现状、应用领域及前景。 现场总线FF（Field Bus）的概念起源于70年代，当时主要考虑将操作室的现场信号和到控制仪器的控制信号由一组总线以数字信号形式传送，不必每个信号都用一组信号线。随着仪表智能化和通讯数字化技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，由全数字现场控制系统代替数字与模拟分散型控制系统已成为工业化控制系统发展的必然趋势。 现场总线已经发展成为集计算机网络、通信技术、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线控制系统FCS（Field-bus Control System）。它将通信线一直延伸到生产现场生产设备，用于过程和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，将传统的DCS 三层网络结构变成两层网络结构，降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系。 关键词：现场总线技术、自动控制、发展趋势
第一章绪论 现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。 现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4－20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。 第二章现场总线技术概述 2.1现场总线的定义： 目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，"生产过程"包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。 2.2 现场总线技术产生的意义 （1）现场总线（Fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。 （2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20mA/24VDC信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的"信息孤岛"，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。 （3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 第三章现场总线的种类 从20世纪90年代以后，现场总线技术得到了迅猛发展，出现了群雄并起、百家争鸣的局面。目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、
Lonworks 总线及其应用
2008-2-27 17:03:00 来源：
一、现场总线 现场总线是 20 世纪 80 年代中期在国际上发展起来的。 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价 格的降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。现场总线可实现整个企业的信息集成，实施综合自 动化，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产 现场与外界的信息交换。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点 数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 迄今为止，比较成熟的并且比较有影响力的现场总线则有以下几种类型： 1.FF，2.Profibus，3.CAN，4.Lonworks，5.Devicenet，6.Interbus，7.WorldFIP，8.Swiftnet，9.P-net， https://www.doczj.com/doc/304240827.html,-link，11.AS-i，12.controllnet。 由于现场总线系统打破了传统控制系统采用的按控制回路要求， 设备一对一的分别进行连线的结构 形式。把原先 DCS 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块放入现场设备，加上现场设备具有 通信能力，因而控制系统功能能够不依赖控制室中的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底 的分散控制。 现场总线系统在技术上具有以下特点： (1)系统具有开放性和互用性 通信协议遵从相同的标准，设备之间可以实现信息交换，用户可按自己的需要，把不同供应商的产 品组成开放互连的系统。 系统间、 设备间可以进行信息交换， 不同生产厂家的性能类似的设备可以互换。 (2)系统功能自治性 系统将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，现场设备可以完成 自动控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行状况。 (3)系统具有分散性 现场总线构成的是一种全分散的控制系统结构，简化了系统结构，提高了可靠性。 (4)系统具有对环境的适应性 现场总线支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采 用两线制实现供电和通信，并可以满足安全防爆的要求。 由于现场总线结构简化，不再需要 DCS 系统的信号调理、转换隔离等功能单元及其复杂的接线， 节省了硬件数量和投资。简单的连线设计，节省了安装费用。设备具有自诊断与简单故障处理能力，减 少了维护工作量。设备的互换性、智能化、数字化提高了系统的准确性和可靠性。还具有设计简单，易 于重构等优点。 下面本文对 Lonworks 总线和其技术特点及原理进行详细阐述： 1. Lonworks 总线及 Lonworks 系统特点 Lonworks 是由美国 Echelon 公司于 20 世纪 90 年代初推出的现场总线， 它采用 ISO/OSI 模型的全部 7 层通讯协议， 这是在现场总线中唯一提供全部服务的现场总线， 在工业控制系统中可同时应用在 Sensor Bus、Device Bus、Field Bus 等任何一层总线中。它除了具有上面说提到的现场总线的公共的特点外， 另外，在一个 Lonworks 控制网络中，智能控制设备(节点)使用同一个通信协议与网络中的其它节点通
现场总线控制系统学习心得 班级：电技131 姓名：杨秋 学号：20XX301030103 六个星期的现场总线控制系统课程已经结束，通过这段时间的学习和老师的耐心讲解，我初步了解到了这门课程的基本内容。 目前，在连续型流程生产工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。我们已经在以往的学习中了解到了PLC和DCS这两大系统的基本知识，而FCS就是我们这段时间学习的现场总线控制系统。老师分别从以下几个方面详细地向我们讲解了这门课程。 1现场总线和现场总线控制系统的概念 根据国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线是指应用在制造过程区域现场装置和控制室内自动控制装置之间的包括数字式、多点、串行通信的数据总线，即工业数据总线。是开放式、数字化、多点通信的底层通信网络。以现场总线为技术核心的工业控制系统，称为现场总线控制系统FCS，它是自20世纪80年代末发展起来的新型网络集成式全分布控制系统。 其中，现场总线系统一般被称为第五代控制系统。第一代控制系统为50年代前的气动信号控制系统PCS，第二代为
4~20mA等电动模拟信号控制系统，第三代为数字计算机集中式控制系统，第四代为70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS。 2 现场总线技术现场总线技术将专用的微处理器置入了传统的测量控制仪表，使其各自都具有了多多少少的数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。它们通过普通双绞线、光纤、同轴电缆等多种途径进行信息传输，这样就能够形成以多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统。该网络系统按照规范和公开的通信协议，在位于生产现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作管理、监控的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，进一步构成了各种适应实际需要的自动控制系统 3 现场总线的分类 老师重点讲述了现场总线的几种类别，典型的现场总线技术包括了基金会现场总线FF，LonWork现场总线，Profibu 现场总线，CAN现场总线以及HART现场总线。其中FF总线尤为重要，按照基金会总线组织的定义，FF总线是一种全数字、串行、双向传输的通信系统，是一种能连接现场各种现场仪表的信号传输系统，其最根本的特点是专门针对工业过程自动化而开发的，在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、总线供电等方面都有完善的措施。为此，有人称FF总线为
现场总线技术综述 一.概述 现场总线控制系统技术是20 世纪80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的PLC 和DCS控制系统基本结构的革命性变化。现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。尤其是20世纪90 年代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来，结合Internet 和Intranet 的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。现场总线控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。 1.现场总线的特点 现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。一般的现场总线具有以下几个特点：（1）布线简单（2）开放性（3）实时性（4）可靠性2.现场总线的优点 由于现场总线以上的特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计，安装，投运到正常生产运行以及检修维护，都体现出优越性。 1.节省硬件数量与投资， 2.节省安装费用 3.节省维护开销 4.用户具有高度的系统集成主动权 5.提高了系统的准确性与可靠性 3.现场总线的应用领域 目前现场总线技术的应用主要集中在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山以及OEM用户等各个行业，同时还有道路无人监控、楼宇自动化、智能家居等新技术领域。
二．现场总线的标准 1.IEC61158的制定 1984年IEC提出现场总线国际标准的草案。1993年才通过了物理层的标准IEC1158-2,并且在数据链路层的投票过程中几经反复。 发展61158现场总线的本意是“排他的和联合的”，各自独立的“现场总线”将给用户带来许多头疼的技术问题，牺牲的是用户的利益。在现场总线领域里，德国派（ISP，Interoperable System Project,可互操作系统规划,是一个以Profibus 为基础制定的现场总线国际组织)和法国派（WORLD FIP）的对持十分激烈，互不相让，以至于IEC无法通过国际标准。1994年6月在国际上要求联合强烈的呼声和用户的压力下，ISP 和World FIP成立了FF(Fieldbus Foundation,现场总线基金会), 推出了FF现场总线。IEC投票的文本就是以FF为蓝本的方案。这是现场总线发展的主流方向。 由于FF的目标是致力于建立统一的国际标准，它的成立实质上意味着工业界将摒弃ISP（含PROFIBUS）和WORLD FIP。它的成立导致了德国派ISP 立即解散；法国派（WORLD FIP）已经明确表示不反对IEC的方案，并且可以友好地与IEC方案互联，甚至提出了与FF“无缝连接”方案；而剩下的德国派PROFIBUS因为与FF的方案和技术途径不同，过渡将是非常困难，因此强烈反对IEC方案以保住市场份额。但是PROFIBUS提出的技术理由仅仅是一些支节问题，于是一些评论认为它是出于商业利益的驱动去反对FF，国际上的现场总线之争已经演变成为PROFIBUS的德国派与以FF为代表的“联合派”竞争。有趣的是工业国家的大公司往往“脚踏几条船”加入各种现场总线以获得更多的商业 利益，如最能说明问题的是最主要的反对者西门子公司（PROFIBUS主要成员）也参加了FF。这种具有特殊意义事实已经说明了PROFIBUS要与FF对抗在技术上处于明显的劣势。 在现场总线国际标准IEC61158中，采用了一带七的类型，即： 类型1 原IEC61158技术报告（即FF －H1） 类型2 Control Net（美国Rockwell）公司支持 类型3 Profibus（德国SIEMENS公司支持） 类型4 P-Net（丹麦Process Data公司支持）
总线技术论文 1．引言 1.1 计算机自动控制系统急速发展的今天，特别是考虑到现场总线已经普遍地渗透到自动控制的各个领域的现实，现场总线必将成为电工自动控制领域主要的发展方向之一。现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域；并且国外大公司已经在大力拓展中国市场，发展我国的现场总线产品已经刻不容缓。现场总线对自动化技术的影响意义深远。当今可以认为现场总线是提高自动化系统整体水平的基础技术，对国民经济影响重大。因此，要在自动化领域中推广应用和发展现场总线。现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。较著名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS 现场总线、PROFIBUS现场总线、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE总线等。 现场总线是现场仪表与控制室系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统，主要用于工厂低层设备(传感器及传动装置等)的数据通信。现场总线已不仅仅是一个新技术领域或新技术问题，在研究它的同时，我们发现它已经改变了我们的观念；如何去看待现场总线，要比研究它的技术细节更为重要。 1.2 现场总线结构模型 现场总线的模型结构在低层(1、2层)是基本相同的，在上层各现场总线之间的功能有所不同。 IEC定义为3层，即采用ISO (国际标准化组织) 的OSI所规定的7层中的3层，分别为物理层、链路层、应用层。 ISA/ SP50委员会增加了用户层，因此现场总线模型已统一为4层，即物理层、链路层、应用层和用户层。 1.3 现场总线主要特点 1) 系统可靠性高； 2) 实现开放式互连网络； 3) 安装与接线费用低； 4) 调节性能提高； 5) 系统组态简单。 1.4现场总线是一场技术革命 现场总线带来了观念的变化，我们以往开发新产品，往往只注意产品本身的性能指标，对于新产品与其它相关产品的关联就考虑比较少一点。这样对于电工行业这样一个比较保守的行业来说，新产品就不那么容易地被用户接收。而现场总线产品却恰恰相反，它是一个由用户利益驱动的市场，用户对新产品应用的积极性比生产商更高。然而，现场总线新产品的开发也与传统产品不同；它是从系统构成的技术角度来看问题，它注重的是系统整体性能的提高，不强求局部最优，而是整体的配合。这种配合在主控计算机软件运行下能使控制系统应用新的理论来发挥最大的效能；这一点是传统产品很难做到的。现场总线的“负跨越（指在技术水平提高的同时，掌握和应用这项新技术的难度却降低了）”的特性使它的推广更加容易。
现场总线控制系统Newly compiled on November 23, 2020
南阳理工学院自动控制仪表课程报告 学院（系）：机械与汽车工程学院 专业：测控技术与仪器（升）学生： *** 指导教师： * * 完成日期2015年 12 月
自动控制仪表课程报告 现场总线控制系统 Fieldbus control system 总计：自动控制仪表课程报告 20 页 插图： 14 幅
自动控制仪表课程报告 现场总线控制系统 Fieldbus control system 学院（系）：机械与汽车工程学院 专业：测控技术与仪器（升） 学生姓名： *** 学号：1%%%%%%% 指导教师（职称）：（高级工程师） 评阅教师： 完成日期： 2015年12月 南阳理工学院 Nan yang Institute of Technology
现场总线控制系统 测控技术与仪器（升） *** [摘要]技术自推广以来，已经在世界范围内应用于工业控制的各个领域。现场总线的技术推广有了三、四年的时间，已经或正在应用于冶金、汽车制造、烟草机械、环境保护、石油化工、电力能源、纺织机械等各个行业。应用的总线协议主要包括、、Foundation、、Interbus_S 等。在汽车行业，现场总线控制技术应用的非常普遍，近两年国内新的和旧的生产线的改造，大部分都采用了现场总线的控制技术。国外设计的现场总线控制系统已应用很广泛，从单机设备到整个生产线的输送系统，全部采用现场总线的控制方法。而国内的应用仍大多集中中生产线的输送系统、随着技术的不断发展和观念的更新必然会逐步扩展其应用领域。 [关键词] 现场总线；工业控制；应用广泛 Fieldbus control system Measurement & Control Technology and Instruments Major（l） *** Abstract：Field bus technology, since the promotion has been all over the world should be used in industrial control fields. Fieldbus technology popularization has three or four years, has been or are being used in metallurgy, automobile manufacturing, tobacco machinery, environmental protection, petrochemical, electric power, textile machinery and other industries. Application of bus protocol mainly includes the PROFIBUS, DeviceNet, Foundation, Fieldbus, Interbus_S, etc. In the automotive industry, the field bus control technology application is very common, in the past two years the domestic new and the old production line of auto production line transformation, mostly using the field bus control technology. Design of field bus control system has been applied abroad is very broad, from the single device to the transmission system of the whole production line, adopts the control method of the field bus. And domestic applications are mostly concentrated in the production line of
现场总线技术在电力自动化中的应用 1、概述 现场总线（Fieldbus）是当前自动化领域的热门话题，被誉为自动化领域的计算机局域网。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，随着工业电网的日益复杂，人们对电网的安全要求也越来越高，现场总线控制技术作为一门新兴的控制技术必将取代过去的控制方式而应用在电力自动化中。 2、现场总线 现场总线是80年代末、90年代初国际上形成的，用于生产现场、在微机化测量控制设备之间的实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 现场总线系统FCS称为第五代控制系统，人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DSC系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
2.1 特点 现场总线技术是计算机，网络通讯、超大规模集成电路、仪表和测试、过程控制和生产管理等现代高科技迅猛发展的综合产物，因此现场总线的内涵现在已远远不是指这一根通讯线或一种通讯标准。现场总线的控制系统在精度、可靠性、经济性等许多方面都要比传统的控制系统要优越得多，其主要特点如下。 A 系统的开放性。 传统的控制系统是个自我封闭的系统，一般只能通过工作站的串口或并口对外通讯。在ＦＣＳ中, 工作站同时靠挂于现场总线和局域网两层网络，通过后者可以与其它计算机系统或网络进行高速信息交换，以实现资源共享。另外，现场总线的技术标准是对所有制造商和用户公开的，没有专利许可要求，实行技术共享。它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 B 可操作性与互用性 不同厂家生产的DCS产品不能互换，要想更新技术和设备，只能全部更换。FCS可实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
现场总线概述 现场总线控制系统技术是20 世纪80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的PLC和DCS控制系统基本结构的革命性变化。现场总线系统技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。更重要的是从原来的面向设备选择控制和通信设备转变成为基于网络选择设备。尤其是20世纪90 年代现场总线控制系统技术逐渐进入中国以来，结合Internet 和Intranet 的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。现场总线控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。 1 现场总线的发展 计算机控制系统的早期，采用一台小型机控制几十条控制回路，目的是降低每条回路的成本。但由于计算机的故障将导致所有控制回路失效，所以后来发展成分布式控制（DCS），即由多台微机进行数据采集和控制，微机间用局域网（LAN）连接起来成为一个统一系统。DCS沿用了二十多年，其优点和缺点均充分显露。最主要的问题仍然是可靠性：一台微机坏了，该微机管辖下的所有功能都失效；一块AD板上的模/数转换器坏了，该板上的所有通道（8或16个）全部失效。曾有过采用双机双I/O等冗余设计，但这又增加了成本，增加了系统的复杂性。为了克服系统可靠性、成本和复杂性之间的矛盾，更为了适应广大用户要求的系统开放性、互操作性要求，实现控制系统的网络化，一种新型控制技术──现场总线控制系统（FCS）正迅速发展起来。 1.1 什么是现场总线 从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电等等。 通俗地讲，现场总线是用在现场的总线技术。传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式，从PLC控制各个电器元件，对应每一个元件有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制和/或电源。当PLC所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的接线就显得十分复杂，容易搞错，施工和维护都十分不便。为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。因而这根线自然而然地称为了总线，就如计算机内部的总线概念一样。由于控制对象都在工矿现场，不同于计算机通常用于室内，所以这种总线被称为现场的总线，简称现场总线。
现场总线综述 设计题目：现场总线技术的现状及其发展前景学院名称：电子与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化 姓名：+++ 班级：电气112 班 学号：11401170236 指导教师：邱雪娜 2014 年11 月17 日
现场总线技术的现状及其发展前景 +++ （宁波工程学院，电子与信息工程学院，浙江宁波 315000） 摘要：现场总线技术是自动化领域里的一项新技术。本文阐述了现场总线技术的产生与发展及各类现场总线技术的历史、现状及特点,最后展望了该技术的未来发展趋势。 关键词：现场总线；产生与发展；特点；发展趋势 Present situation and development prospect of Fieldbus Technology LI Gensheng （School of Electron and Information Engineering, Ningbo University of Technology, Ningbo 315000 , China） Abstract: The fieldbus technology is a new technology in automatization. This paper expounds the origin and development of fieldbus technology and all kinds of history, present situation and characteristics of field bus technology, the future development trend of this technology are discussed. Key words：f ieldbus; generation and development; characteristic; the development trend 引言 现场总线控制系统技术自70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性引起人们的广泛注意，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。随着计算机技术的发展，现场总线技术不断向数字化、微型化、个性化，专用化发展。现场总线技术的市场不断扩大，前景广阔。 1 现场总线的定义与特点 1.1现场总线技术的定义 从名词定义来讲，现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。而现场总线标准规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何交换数据。数据的传输介质可以是电线电缆、光缆、电话线、无线电等等。通俗地讲，现场总线是用在现场的总线技术。传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式，从PLC控制各个电器元件，对应每一个元件有一个I/O口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制和/或电源。当PLC所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的接线就显得十分复杂，容易搞错，施工和维护都十分不便。为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。因而这根线自然而然地称为了总线，就如计算机内部的总线概念一样。由于控制对象都在工矿现场，不同于计算机通常用于室内，所以这种总线被称为现场的总线，简称现场总线。 1.2现场总线的特点 现场总线技术实际上是采用串行数据传输和连接方式代替传统的并联信号传输和连接方式的方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时
现场总线技术及控制系 统 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998
现场总线技术及控制系统 摘要：文章介绍了现场总线的概念,回顾了其产生及发展历程，分析了现场总线控制系统相对于集散控制系统的特点和优点。针对当前流行的几种现场总线，简要介绍了各自的技术特色，指出控制系统的开放互连是发展的必然。 关键词：现场总线，集散控制系统，分布式控制，FCS，DCS，开放式互连系统 一、前言 七十年代以前，控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。七十年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效果得到提高；但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统的控制系统（如集散控制系统）无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃，这次变革的基础就是现场总线技术的产生。 现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。80年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。美国仪表协会(ISA)于1984年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的PROFIBUS和法国的FIP等，各种现场总线标准陆续形成。其中主要的有：基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）、控制局域网络CAN（Controller Area Network）、局部操作网络LonWorks（Local Operating Network）、过程现场总线PROFIBUS（Process Field Bus）和HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是，总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国
［编辑简介］：上海兆越公司开发了一款可以借助以太网络来进行CANBUS总线通讯的CAN总线网关，本文主要描述其产品特点及组网方式。 ［摘要］：在工业控制中，很多现场使用CAN-BUS总线通讯系统，在一些布线不便的地方，使用CAN-BUS总线系统非常麻烦，可借助以太网来传输CAN数据。［关键词］：CAN 以太网虚拟总线网关 在工业控制中，很多现场使用CAN-BUS总线通讯系统，在一些布线不便的地方，使用CAN-BUS总线系统非常麻烦，可借助以太网来传输CAN数据。 在实际应用中，CAN总线电缆容易受到干扰，所以使用光纤中继比较常见，但光纤中继的缺陷非常明显，一是仍然会受CAN总线传输距离限制，二是受到组网条件限制，因为一般的光纤中继器仅仅为点对点方式使用。 目前可使用设备将CAN总线数据通过网关转换为以太网格式借助现在以太网络进行传输，一般使用C/S模式或虚拟串口模式实现，虽然可以解决CAN传输距离问题，但是使用也非常复杂，需要用户更改协议才能与此类型网关配合使用，而现场也需要进行大量调试工作，且各厂家产品互不兼容，对用户来说，且有非常大的局限性。 为解决上述问题，上海兆越公司开发了一款可以借助以太网络来进行CANBUS总线通讯的CAN总线网关MIC-2031-2F，MIC-2031-2F提供2个100M以太网光口、1个10/100M以太网电口及1个CAN接口。 MIC-2031-2F的使用非常灵活，既可以使用专用光纤网络来传输以提高传输质量，也可以借助现在网络来传输以降低成本。 使用专用光纤网络传输：
MIC-2031-2F的2个100M光口可以可以使用专用的光纤网络将多台 MIC-2031-2F级联，可以完全保证CAN总线数据的传输质量。使用兆越独有的虚拟CAN总线技术，实现CAN数据借助MIC-2031-2F组成的光以太网络进行传输，无需设置即可使用，极大地方便了现场用户的使用。使用拓扑图如下： 借助现有网络传输： 除使用专用光纤网络组网外，MIC-2031-2F还可借助现有以太网络来进行CAN虚拟总线传输，这样做的好处在于用户可以直接使用MIC-2031-2F的以太网光口或电口接入现有的局域网来传输CAN数据，不需要额外配置光缆，极大地节省了用户成本。 MIC-2031-2F可提供1个10/100M以太网口，供现场工程师使用监控工具监控总线数据，非常方便现场工程师的总线调试工作，同时也方便了现场维护的工作。 (数据监控软件示意) 使用MIC-2031-2F组网的优点在于使用非常方便，现场人员不需要设置复杂的网关软件，只需将MIC-2031-2F的以太网络组建起来就可轻松实现虚拟CAN 总线，且CAN总线的速率不会受到距离限制。 另一个优点是用户可以随意扩展CAN网络，在现场CAN设备需要扩展时，只需要在现有网络里新增加一台MIC-2031-2F，即可实现CAN总线的扩展。 本文选自https://www.doczj.com/doc/304240827.html,/hezuo.html
J533-数据总线诊断接口（网关）中的编码： 若控制单元需要更新，则无法继续读取有故障的控制单元的编码，此时必须对新的网关进行编码。以下清单用于辅助网关的快速编码。选装件的分类与德国市场有关。 00 - 转向角设置始终安装 01 - 发动机电子设备始终安装 11 - 发动机电子设备II 取决于发动机 61 - 蓄电池控制始终安装 02 - 变速箱电子设备只安装自动变速箱 42 - 驾驶员侧车门电子设备始终安装 52 - 前乘客侧车门电子设备始终安装 62 - 左后车门电子设备始终装有 72 - 右后车门电子设备始终装有 03 - 制动电子设备始终安装 13 - 自适应巡航控制选装件（可通过前部雷达按钮进行识别） 53 - 驻车制动器始终装有 34 - 车身高度自动调整悬架选装件 05 - 进入及起动授权始终安装 15 - 安全气囊始终安装 25 - 防起动锁始终安装 55 - 大灯范围控制选装件（始终与氙大灯匹配） 65 - 轮胎压力监控选装件（可从MMI车辆菜单中选择） 75 - 紧急呼叫模块选装件（仅限美国） 06 - 前乘客侧座椅调节选装件 16 - 方向盘电子设备始终安装 36 - 驾驶员侧座椅调节选装件 46 - 便捷系统中央模块始终安装 56 - 收音机始终安装 76 - 声控停车辅助设备选装件（通过后部传感器进行识别） 07 - 操作/显示单元始终安装 17 - 仪表板始终安装 37 - 导航系统选装件（可从MMI进行选择） 47 - 声音系统始终安装 57 - 电视调谐器选装件（可从MMI进行选择） 67 - 语音控制选装件（语音控制可从MMI的音响菜单中选择）