多通道現場總線網路閘道器硬體加速器設計與實作

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陳軍宏(Jun-Hong Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

資訊工程學系

論文名稱

多通道現場總線網路閘道器硬體加速器設計與實作
(Design and Implementation of Hardware Accelerator for Multi-Channel Fieldbus Gateway)

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摘要(中)

在工業物聯網的潮流下，工廠的控制裝置與設備聯網成為迫切需求，然而目前現場總線閘道器在系統擴充性及通訊頻寬上，難以滿足大量裝置在工業環境傳輸的即時性、大量資料收集、管理等需求。因此本研究提出多通道現場總線網路閘道器的硬體架構，以微控制器為核心，結合FPGA的八通道高速串列Modbus控制器以及上層可平行管理八通道的感測網路控制器，構成一個支援八通道主控端的現場總線網路閘道器。此系統可支援Modbus大量周邊裝置擴充，以及即時資料收集的功能。論文最後，我們以相同實驗環境下，模擬傳統Modbus現場總線並與本系統進行比較，實驗結果顯示本系統具有明顯的性能優勢，並以即時資料收集應用，驗證本系統有較佳的即時資料收集能力。

摘要(英)

In Industrial Internet of Things, networking has become increasingly necessary for device controllers and factory equipment. However, current fieldbus gateways generally cannot meet the requirements for real-time transmission between numerous devices and substantial data collection and management in an industrial environment because of system peripheral expansion and insufficient communication bandwidth. Therefore, in this paper, we propose a hardware accelerator architecture for multichannel fieldbus gateways. The proposed system was combined with a microcontroller and hardware accelerator. The system core relies on a microcontroller to perform fieldbus gateway management. Additionally, we used a field-programmable gate array to implement a hardware accelerator, combining an eight-channel high-speed serial Modbus controller; the sensor network controller facilitates parallel management of the eight-channel Modbus controller. This system can support increases in the number of Modbus slave devices connected to the gateway, and it also provides functionality for real-time data collection. We simulated the conventional Modbus fieldbus and compared it with the proposed system in the same experimental environment. The results showed that the proposed system had a faster response time. We used a real-time data collection application to verify the proposed system’s performance and found that its capabilities were superior to those of the conventional system.

關鍵字(中)

★ 工業物聯網
★ 現場總線閘道器
★ 硬體加速器
★ Modbus
★ 周邊擴充

關鍵字(英)

★ fieldbus gateway
★ Hardware Accelerator
★ Modbus
★ Multi-Channel

論文目次

摘　要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章、緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 論文架構 3
第二章、技術回顧 4
2.1 現場總線閘道器 4
2.1.1 閘道器系統架構 4
2.1.2 閘道器周邊擴充 5
2.2 高速UART 7
2.2.1 UART 7
2.2.2 高速UART糾錯機制 9
2.3 Modbus現場總線通訊協定 13
2.3.1 Modbus 通訊架構 13
2.3.2 Modbus封包格式 15
2.3.3 Modbus串列傳輸 19
第三章、閘道器硬體加速器設計 21
3.1 閘道器硬體加速器 21
3.1.1 高速串列Modbus控制器 22
3.1.2 多通道感測網路控制器 24
3.1.3 硬體加速器通訊介面 25
3.2 系統架構設計 27
3.2.1 IDEF0階層式系統設計 28
3.2.2 現場總線網路閘道器IDEF0 30
3.2.3 多通道感測網路控制器IDEF0 32
3.2.4 高速串列Modbus控制器IDEF0 34
3.3 離散事件建模 36
3.3.1 Grafcet離散事件建模 36
3.3.2 現場總線網路閘道器Grafcet 39
3.3.3 多通道感測網路控制器Grafcet 42
3.3.4 高速串列Modbus控制器Grafcet 46
3.4 閘道器硬體加速器電路合成 51
3.4.1 高階硬體合成 51
3.4.2 硬體加速器電路合成 53
第四章、軟硬體整合與驗證 57
4.1 實驗平台 57
4.2 系統功能驗證 59
4.2.1 資料傳輸 59
4.2.2 主控端功能碼 60
4.2.3 資料收集 63
4.2.4 資料收集介面控制 65
4.2.5 資料收集優先權 66
4.2.6 閘道器硬體加速器通訊介面 70
4.3 Modbus通訊響應實驗 73
4.3.1 單通道主控端實驗 74
4.3.2 多通道主控端實驗 75
4.4 現場總線感測網路即時資料收集應用 79
第五章、結論與未來研究方向 80
5.1 結論 80
5.2 未來展望 81
參考文獻 82

參考文獻

[1] G. J. Cheng, L. T. Liu, X. J. Qiang, and Y. Liu, "Industry 4.0 Development and Application of Intelligent Manufacturing," in 2016 International Conference on Information System and Artificial Intelligence (ISAI), 2016, pp. 407-410.
[2] J. P. Thomesse, "Fieldbus Technology in Industrial Automation," Proceedings of the IEEE, vol. 93, no. 6, pp. 1073-1101, 2005.
[3] J. Cañedo and A. Skjellum, "Adding scalability to Internet of Things gateways using parallel computation of edge device data," in 2016 IEEE High Performance Extreme Computing Conference (HPEC), 2016, pp. 1-5.
[4] I. Modicon, "Modicon modbus protocol reference guide," North Andover, Massachusetts, pp. 28-29, 1996.
[5] D. Min, Z. Xiao, B. Sheng, and G. Shiya, "Design and implementation of the multi-channel RS485 IOT gateway," in 2012 IEEE International Conference on Cyber Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER), 2012, pp. 366-370.
[6] T. INSTRUMENTS. TEXAS INSTRUMENTS Sitara Processors. Available: http://www.ti.com/processors/sitara/applications/factory-automation.html
[7] Modbus.org, MODBUS over Serial Line Specification and Implementation Guide. Modbus.org, 2006, p. 44.
[8] Modbus.org, MODBUS APPLICATION PROTOCOL SPECIFICATION V1.1b3
Modbus.org, 2012, p. 50.
[9] C.-H. Chen, M.-Y. Lin, and X.-C. Guo, "High-level modeling and synthesis of smart sensor networks for Industrial Internet of Things," Computers & Electrical Engineering, vol. 61, pp. 48-66, 2017.
[10] T. Inc, DE10-Lite User Manual. Terasic Inc, 2017.
[11] STMicroelectronics, UM1974 User Manual. 2017.

指導教授

陳慶瀚(Ching-Han Chen)

審核日期

2017-12-21

推文