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基于IEC 1158標準的現(xiàn)場總線芯片設計

2022年電子技術應用第4期

張立國1，劉強1，嚴偉2，李福昆1，吳鵬飛2，王博2

1.燕山大學電氣工程學院，河北秦皇島066000；2.北京大學軟件與微電子學院，北京100871

摘要： 介紹了一種符合IEC 1158標準物理層現(xiàn)場總線芯片架構及其設計實現(xiàn)。芯片設計有曼徹斯特(Manchester)編解碼電路、循環(huán)冗余校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)電路、載波偵測電路、極性糾正電路等功能電路。內置高級可擴展接口(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代碼編寫工作，進行了全面的時序仿真。并以ZYNQ-7015為硬件平臺，進行了芯片功能測試，測試結果表明所設計的芯片達到了設計要求。

關鍵詞： 現(xiàn)場總線 IEC1158 芯片設計

中圖分類號： TN915.04；TN431.2
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211554
中文引用格式： 張立國，劉強，嚴偉，等. 基于IEC 1158標準的現(xiàn)場總線芯片設計[J].電子技術應用，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)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題^[1-6]。

IEC 1158標準定義的現(xiàn)場總線通信模型由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層、用戶層四部分構成^[7]。其中，物理層負責數(shù)據(jù)傳輸并可為現(xiàn)場設備供電，總線數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼技術進行編碼^[8-15]。本文所設計的現(xiàn)場總線芯片主要實現(xiàn)物理層功能以及部分數(shù)據(jù)鏈路層功能，實現(xiàn)現(xiàn)場設備與總線連接。并內置AXI4總線接口，實現(xiàn)與CPU高速、安全的數(shù)據(jù)交互。

目前已有的符合IEC1158標準的現(xiàn)場總線芯片有中科博微的FBC0409、美國Smar公司的FB3050、日本Yamaha公司的YTZ420等。但上述芯片均不具備協(xié)議擴展能力，僅能應用于符合IEC 1158標準的特定現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，應用領域單一。且由于與CPU交互時均使用私有協(xié)議，導致通用性較差。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，導致芯片與CPU進行數(shù)據(jù)交互的時延較大。

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作者信息：

張立國1，劉強1，嚴偉2，李福昆1，吳鵬飛2，王博2

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

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