[发明专利]现场总线芯片架构

说明书

本发明公开了一种现场总线芯片架构，其包括CPU交互模块、时钟管理模块、帧编/解码模块、Manchester编/解码模块、RAM数据存储模块、DMA控制器、数据收发模块、CRC帧校验模块、地址识别与管理模块、中断控制器和寄存器堆栈。本发明提出在芯片中封装AXI4总线协议接口，通过AXI4总线与CPU进行数据交互，AXI4总线的握手机制能保证CPU与本发明芯片的数据传输安全可靠，且使用AXI4总线后，可给芯片分配不同的AXI总线ID，通过ID访问芯片，实现一片微处理器挂载多片本发明芯片，并通过AXI4‑Lite总线配置特征码寄存器实现芯片的现场总线协议数据帧编码与解码能力。

技术领域

本发明属于现场总线控制器领域，具体涉及一种现场总线芯片架构。

背景技术

计算机网络技术的迅速发展推动着工业自动化控制系统的体系结构产生不断的变革。传统的4～20mA模拟信号制被双向数字通信现场总线信号制所取代，模拟与数字的分散型控制系统更新换代为全数字现场控制FCS系统。

根据国际电工委员会IEC 1158定义，安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。现场总线Field bus是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

现场总线装置包括各类工业产品，它们是变送器或流量、压力、温度或其它过程量的转换器，转角发送器和ON-OFF开关。它们包括控制阀、执行器和包括机械手的步进电机在内的电子马达。安装在现场的简单PLC和远方单回路调节器也属于现场装置。

通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信。不同制造厂生产的装置间可以完全互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大提高，维护成本大大降低。

IEC现场总线协议定义的现场总线包括物理层、数据链路层、应用层、用户层四部分。与之相对应，IEC 1158规范包括总论IEC 1158-1、物理层规范IEC1158-2、链路层服务定义IEC 1158-3、链路层规范IEC 1158-4、应用服务定义IEC 1158-5、应用层规范IEC 1158-6、系统管理IEC 1158-7。

各层功能如下：

物理层：可为现场设备提供总线供电；采用曼彻斯特编码技术对数据进行编码及解码；支持点对点、总线型、菊花链型、树型拓扑结构。根据IEC 1158规范，物理层传输速率分为H1模式和H2模式；H1模式下传输速率为31.25Kbps，H2模式下传输速率为1Mbps和2.5Mbps。

数据链路层：为系统管理内核和总线访问子层访问总线媒体提供服务；负责链路活动调度、数据的接收与发送、活动状态的探测与响应；负责总线上各设备间的链路时间同步。

应用层：定义在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。

用户层：组成用户所需的应用程序，如规定的功能块、设备描述，实现网络管理、系统管理等。

而目前已有的此类芯片在CPU接口层面没有采用标准通总线信协议，不支持CPU通过芯片地址访问芯片，导致一片微处理器只能挂载少量现场总线芯片。此外，现有的芯片与CPU传输数据时没有确认机制，发送方无法知道数据是否成功被接收方接受，导致数据传输的不确定性增加。且现有芯片不支持数据帧编码和解码或只支持某一种特定现场总线协议帧解码及编码。

发明内容