Yleiskäyttöisen kenttäväyläsovittimen kehitysalusta

Fieldbuses are communication networks designed to interconnect devices in automation systems. A number of different mutually incompatible fieldbus standards are in use, requiring a large amount of work from automation device vendors to support a sufficiently large number of them to fulfil customer needs. Instead of releasing a separate version of a device such as a variable frequency drive for each supported fieldbus, a separate fieldbus adapter module can be used to provide the compatibility. To reduce the effort involved in developing, manufacturing and maintaining the adapters, it would be beneficial to implement multiple field bus protocols using a single hardware design. As the prices of field-programmable gate arrays (FPGAs) have declined and intellectual property (IP) cores are available to support various fieldbuses, it is possible to create an FPGA-based adapter that can be reprogrammed to switch to a different fieldbus standard so long as the same physical communication medium can be used. In this work, issues pertaining to FPGA-based systems on chip (SOCs) are discussed, including those related to system boot-up, Nios II development and design security. An SOC is designed and implemented on an Altera EP3C25 FPGA, containing the Altera Nios II embedded soft core processor, a PROFIBUS protocol IP core and various peripherals. A memory controller IP core is implemented to allow the system to access an external 16-bit static random-access memory (SRAM) memory. Software for an existing PROFIBUS adapter is ported onto the new platform. To support page-granularity access to Altera EPCS series FPGA configuration devices, a flash memory compatibility layer is implemented that also performs simple wear levelling. The resulting system can be used as a starting point when prototyping a general-purpose field bus adapter.Kenttäväylät ovat automaatiojärjestelmien laitteita yhdistäviä tietoliikenneverkkoja. Käytössä on useita keskenään yhteen sopimattomia kenttäväylästandardeja, ja automaatiotuotteiden valmistajat joutuvat tekemään runsaasti työtä voidakseen tukea niistä riittävän monta tyydyttääkseen asiakkaidensa tarpeet. Sen sijaan, että kustakin tuotteesta, esimerkiksi taajuusmuuttajasta, julkaistaisiin erillinen versio jokaista tuettua kenttäväylää varten, erillistä kenttäväyläsovitinmoduulia voidaan käyttää yhteensopivuuden aikaansaamiseksi. Sovitinten suunnitteluun, valmistukseen ja ylläpitoon vaaditun työmäärän vähentämiseksi olisi edullista toteuttaa useita kenttäväyläprotokollia ainoastaan yhtä laitteistoratkaisua käyttäen. Ohjelmoitavien porttimatriisien (FPGA) hintojen lasku sekä eri kenttäväylien toteuttamiseen tarvittavien logiikkalohkojen paraneva saatavuus mahdollistavat sellaisen FPGA-pohjaisen kenttäväyläsovittimen laatimisen, jonka tukema kenttäväy-lästandardi voidaan ohjelmallisesti vaihtaa toiseen samaa fyysistä tiedonsiirtomediaa käyttävään standardiin. Tässä työssä tutkitaan FPGA-pohjaisiin yhden sirun järjestelmiin liittyviä, muun muassa järjestelmän alkulatausta, ohjelmien kehittämistä Nios II -ympäristöön sekä aineettoman omaisuuden turvaamista koskevia kysymyksiä. Työssä laaditaan Alteran FPGA-piirille EP3C25 yhden sirun järjestelmä, joka koostuu Nios II -suorittimesta, PROFIBUS-protokollan toteuttavasta IP-lohkosta sekä tarvittavista oheislaitteista. 16-bittisen SRAM-muistin liittämiseksi toteutetaan muistiohjainlohko. Olemassa olevan kenttäväyläsovittimen ohjelmisto muutetaan uudelle alustalle sopivaksi. Alteran EPCS-sarjan FPGA-konfigurointipiirien sisältämän fiash-muistin käyttämiseksi sivun kokoisina lohkoina laaditaan yhteensopivuusrajapinta, joka lisäksi suorittaa muistille kulumisen tasoitusta. Työssä toteutettua järjestelmää voidaan käyttää pohjana kehitettäessä yleiskäyttöisen kenttäväyläsovittimen prototyyppiä