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随着以太网和总线技术的发展,以及关键技术取得的突破性进展,使得工业自动化控制级以上的通信逐步统一到工业以太网,未来工业以太网将在工业综合自动化系统中发挥越来越重要的作用。然而,由于工业通信环境还不统一,针对不同的工业以太网标准,目前的控制器多采用ASIC、ASSP和MCU来实现,需要针对现场支持的每一种协议改变硬件和相应的软件堆栈。这种方案硬件不能灵活升级,需要开发多块电路板来支持这种变化。随着应用技术的不断提高,CPU处理性能会达到极限,传输速率和实时性将不能满足系统的要求。基于以上的问题,本文提出了基于FPGA的工业以太网控制器的方案。在设计中对具体的Modbus/TCP进行实现,开发一块电路板迅速适应其变化,为以后实现多标准的工业以太网提供了一个很好的解决方案。首先,在研究了工业以太网体系和Modbus/TCP协议结构的基础上,采用内部集成有可裁剪、可编程软核处理器的FPGA和千兆以太网PHY芯片用于工业以太网控制器的设计。在硬件方面,选用CycloneIV EP4CE115FPGA芯片作为核心器件,对外围电路进行了设计,重点对以太网MAC IP核进行了设计及利用SOPC技术构建基于Nios Ⅱ软核处理器的SOPC嵌入式网络系统。软件方面,在NiosⅡ软核处理器对嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ和Nichestack TCP/IP Stack进行了移植,并在此基础上着重介绍了将Modbus帧嵌入到TCP/IP协议来实现Modbus/TCP通信。最后,通过在硬件平台和上位机之间建立通信模型进行验证,试验证明采用FPGA实现以太网控制器与传统控制器相比,系统具有稳定可靠、速度高、通用性好,并具有可编程、可裁剪和易扩展的特点。在系统要求改变或升级时,可快速配置实现设计。为以后针对不同的工业以太网协议标准或者协议的改变,采用一块基于FPGA的平台来快速实现不同的工业以太网协议和变化提供了新的思路。