基于IEC 1158标准的现场总线芯片设计
2022年电子技术应用第4期
张立国1，刘 强1，严 伟2，李福昆1，吴鹏飞2，王 博2
1.燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛066000；2.北京大学 软件与微电子学院，北京100871
摘要： 介绍了一种符合IEC 1158标准物理层现场总线芯片架构及其设计实现。芯片设计有曼彻斯特(Manchester)编解码电路、循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)电路、载波侦测电路、极性纠正电路等功能电路。内置高级可扩展接口(Advanced eXtensible Interface，AXI)电路作为与外置处理器的数据传输总线。完成了此芯片的全部RTL代码编写工作，进行了全面的时序仿真。并以ZYNQ-7015为硬件平台，进行了芯片功能测试，测试结果表明所设计的芯片达到了设计要求。
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.
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
現場總線(Field bus)是一種工業數據總線，主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題[1-6]。
IEC 1158標準定義的現場總線通信模型由物理層、數據鏈路層、應用層、用戶層四部分構成[7]。其中，物理層負責數據傳輸并可為現場設備供電，總線數據采用曼徹斯特編碼技術進行編碼[8-15]。本文所設計的現場總線芯片主要實現物理層功能以及部分數據鏈路層功能，實現現場設備與總線連接。并內置AXI4總線接口，實現與CPU高速、安全的數據交互。
目前已有的符合IEC1158標準的現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議擴展能力，僅能應用于符合IEC 1158標準的特定現場總線系統中，應用領域單一。且由于與CPU交互時均使用私有協議，導致通用性較差。此外，受私有協議帶寬限制，以及這些私有協議不具備突發傳輸能力，導致芯片與CPU進行數據交互的時延較大。
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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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