现场总线专用芯片可行性分析报告.doc

现场总线专用芯片可行性报告现场总线专用芯片可行性报告————科技攻关计划科技攻关计划一、申请单位基本情况1、 申申请单请单位和位和协协作作单单位概况（包括企位概况（包括企业规业规模、技模、技术术力量、力量、设备设备和配套情况、企和配套情况、企业业资产资产及及负债负债情况）；情况）；沈阳自动化所作为国家级科研单位，承担了多项国家攻关计划、国家高技术跟踪计划项目，同时投入大批科技人员为国民经济建设服务，面向行业自动化，深入现场解决关键的技术难题，拥有较强的技术力量、先进的科研仪器设备在机器人、工业自动化、跟踪与测量三个方面形成自身的优势现已进入中国科学院首批知识创新工程试点单位，建立了先进制造技术研究基地现有科技人员200 多名，是“机械电子工程”和“模式识别与智能系统”学科的博士、硕士培养点2、 项项目的目的组织组织形式和形式和详细详细分工，以及分工，以及项项目的目的组织组织管理及相关保障措施；管理及相关保障措施；项目以课题组形式组织，课题组包括所有的参加人员，按研究内容和参加人员的角色详细分工，具体形式为：课题组长，研究开发人员，测试/质保人员，平台支持人员我们研究所历来重视基础性研究项目，为更好的开展科研工作，将提供良好的工作环境和先进的科研仪器，同时会有相应的配套资金予以大力支持。

从而保证项目的顺利实施3、 项项目目负责负责人背景人背景资资料及主要参加人料及主要参加人员员； ；组长：杨志家，研究员，男，36 岁，1990 年毕业于浙江大学信息与电子科学系主要的研究方向是计算机网络、嵌入式系统、现场总线技术、高速以太网、工业自动化和过程控制等在工业通信技术研究、自动化产品的开发以及工程应用等方面具有很多成果，曾负责参与完成了我国第一个通过国际认证的现场总线协议软件及网卡的开发与研制近年来在主要刊物上发表论文 5 篇在本项目中，主要负责协议分析和项目的总体设计工作，并负责软硬件开发人员之间的协调及部分软件的开发工作历年主要科研项目：现场总线协议栈的研究与开发，国家九五攻关项目，负责人，已完成多总线系统集成，负责人，中科院创新方向性项目，已完成现场总线底层协议的 FPGA 开发与验证，中科院先进制造基地创新课题，负责人，已完成获奖情况：国家科技进步二等奖（2002 年）中科院科学技术进步一等奖（2001 年）中科院科技进步一等奖（1996 年）沈阳市科技进步二等奖（1999 年）发明专利（受理）：《现场总线网络控制器》，申请号：01106350.5主要参加人员：吕岩，副高，负责验证测试；谢闯，中级，负责系统设计；赵雪峰，副高，负责代码设计；崔书平，副高，负责代码设计；刘鹏，中级，负责验证测试；张志鹏，中级，负责物理设计；刘铁锋，中级，负责物理设计；曹梦侠，中级，负责代码设计；王明全，博士，负责系统分析；辛晓宁，博士，负责系统分析；二、项目基本情况1、 项项目的目的总总体目体目标标； ；本项目的总体目标是研究、开发、实现工业现场总线专用芯片，该现场总线专用芯片是一种集成了完整的 FF（Foundation Field）基金会现场总线物理层协议和部分数据链路层通信协议的现场总线通信控制接口芯片，内部系统结构符合IEC61185—2（国际电气委员会）和 ISA—S50.02（美国仪器仪表协会）物理层和数据链路层规范。

该类芯片将广泛应用于现场仪器仪表和可编程控制器中2、 项项目主要攻关点；目主要攻关点；在充分了解现场总线系统背景的基础上，消化和吸收该标准的底层通信协议，完成以下主要攻关点：可通过寄存器设置适配 1M、2M、4M 外部输入时钟曼彻斯特编码与解码，遵照基金会总线协议生成数据帧以接收数据帧4/8 级可编程发送 FIFO（先入先出队列）8/16 级可编程接收 FIFO（先入先出队列）通过中断向上报告各种错误信息可内部 loopback（回环）模式或外部连接模式进行自测试内含 DMA（直接存储器存取）接口，可与标准 DMA 控制器相连接自动线上数据极性探测并接收自动监视发送超长错误可编程保持帧间距自动监视发送帧间距，接收帧间距及发送帧与接收帧之间的帧间距自动节点时间计数，保持同步自动位时间计数，保持同步帧校验（CRC 循环冗余校验）自动生成以及校验低功耗设计提供数据链路层的基本帧控功能自动接收取消（对应于帧控要求以及节点地址），并在取消后接收部分自复位接收取消（对应接收过程中出现的各种错误），并在取消后可自动复位自动令牌定时器计数值载入3、 项项目主要技目主要技术难术难点和点和创创新点；新点；项目的主要技术难点是低功耗设计，在流程工业的某些领域（如石油、化工等）中，要求仪表等现场设备必须满足本质安全要求。

通常整个设备耗电要在 mA 级，这就要求必须采用低功耗现场总线专用芯片低功耗设计一直是集成电路设计的一个难题项目的创新点是提供数据链路层的基本帧控功能，以及内嵌 DMA 接口基本帧控功能可以在接收数据帧的同时，判定出该数据帧的类型，以方便上层应用的处理内嵌 DMA 接口可以直接和外部的 DMA 控制器相连，减少收发数据时的中断过多，提高系统的效率4、 项项目完成目完成对对本行本行业业、本地区促、本地区促进进作用；作用；1）抢占现场总线技术前沿，发展民族工业自动化产业现场总线控制系统是工业自动化领域的革命性技术，在这样的技术跨越期，及时攻克现场总线核心技术，将给国内工控企业带来新的发展机会，打破国外公司在中国自动化领域的统治地位，重树民族自动化产业本项目将围绕现场总线芯片、开发平台等现场总线控制系统关键技术问题展开攻关，取得一批国际领先的成果2）推动仪表、控制系统产业跨越式发展，带动相关产业技术进步现场总线芯片、现场总线控制系统开发平台的研究与开发将为我国仪表、控制系统行业提供本领域核心的技术，使我国工业自动化产品实现跨越式发展，关键产品进入国际先进行列目前国外自动化产品大量进入中国，对我国仪表自动化产业造成了巨大的冲击。

只有技术上有所突破，才可能迎头赶上，打破国外产品对中国的市场垄断3）实现工业企业的低成本技术改造现场总线控制系统采用总线结构，取消了传统 DCS 中大量的线缆，节省了控制室空间，控制功能下放到现场设备，取消了昂贵的控制系统，设计简单，施工费用下降，据国外权威机构测算，整个工程成本将比 DCS 低 30%由于现场总线控制系统将控制功能下放到现场设备，可以将复杂的控制功能分解到多个设备中并发执行，消除了 DCS 集中控制的性能瓶颈，大大提高了整个系统的性能在 DCS 系统中，一旦 DCS 发生故障就将造成灾难性后果由于现场总线系统具有控制功能分布的特点，部分设备故障，不会影响全局同时，现场设备中包括大量的诊断信息，可以预知、预测故障的发生上述特点都大大提高了现场总线控制系统的可靠性5、 相关相关领领域国内外技域国内外技术术、 、产业现产业现状和状和发发展展趋势趋势； ；目前生产现场总线芯片的厂商有 4 家，它们的产品是美国 Smar 的 FB3050、美国 Shipstar 的 FCHIP-1、日本 Fuji 的 FRONTIER-1+、日本 Yamaha 的YTZ420这些产品功能相当，都是 90 年代的产品，相对价格较高，对国内用户的技术支持不够直接。

本项目开发的产品将采用先进的现代工艺，在价格和功耗上将有较强的竞争力本项目开发的产品将主要用于过程自动化领域，因此，这里仅对相关的过程自动化仪表及控制装置做如下分析1) 国外市场需求在最近几年之中，全球自动化仪表产品市场需求的增长较快过程自动化仪表产品市场销售额，在 2001 年达到 599 亿美元，预计到 2006 年将达到700 亿美元从 1996 年到 2001 年间的年平均增长率为 3.9％，而从 2001 年到 2006 年平均增长率将达到 4.6％，以不变价格计算，则 2006 年的销售额为 761 亿美元主要应用于玻璃、陶瓷、钢铁和有色金属工业、轧钢和铝板材工业、化学、食品及制药业、石化工业、纸浆和造纸业、环保、矿山、石油和天然气工业等在 1996 年的自动化产品系统和维修的 461 亿美元中，有 406 亿美元是属于自动化工程项目方面，有 54 亿美元是用于操作方面测量和自动化技术作为新的投资，在工厂现代化投资中将增长 2～3 倍到 2006 年全球过程自动化产品的市场需求情况为：矿山工业为 70 亿美元，原材料工业为 90亿美元，过程工业为 360 亿美元，电站为 110 亿美元，环保工业为 70 亿美元。

可见过程自动化产品市场及其巨大2) 国内市场需求“十五”期间，主要工业自动化仪表年需求量预测如下表所示（资料来源：原国家机械工业部的统计、预测）为了便于比较，表中同时列出 1998 年的产量 主要工业自动化仪表“十五”年需求量预测：产品名称单位1998 年产量预测年需求温度仪表万台127140压力仪表万台329.9360流量仪表万台672.3660物位仪表万台7.37.5机械量仪表万台5.56.5显示仪表万台10.96变送器万台925调节器万台16.814执行器万台14.720气动单元组合仪表万台3.21电动单元组合仪表万台7.33控制装置万台套78工业控制计算机模板及整机件万台2730现场总线智能仪表万台9智能控制网络万节点16总计 万台套1238.91296目前我们没有国外市场仪表、控制系统产量和需求量预测数据但仅以过程自动化仪表市场销售额可以做一个简单推算（不包括过程自动化以外的市场需求）国外市场过程自动化仪表销售额在 2001 年达到 599 亿美元，预计到 2006年将达到 700 亿美元以平均每套独立装置 1500 美元计算：700 亿/1500=4600 万套据此推算，国外过程自动化市场基于现场总线通信协议的专用芯片需求量应该在 4600 万片以上。

由上表可以看出国内市场对现场总线芯片的需求量将可达 1296 万片以上，加上国际市场的需求总计近 5900 万片/年可见市场潜力极为巨大6、 项项目的基目的基础础条件（与条件（与项项目相关的目相关的现现有技有技术术、 、设备设备基基础础和工作基和工作基础础）；）；本课题的课题组具有多年的嵌入式系统的开发经验，特别是有三年的 FF 现场总线技术的开发经验，对于通讯协议有比较深刻的理解此外，本课题申请者目前是中科院自动化所重大课题《FF 现场总线专用 SOC（片上系统）设计》课题组的主要成员之一，目前已完成了对 FF 现场总线通讯控制器的物理层部分的Verilog 语言的行为级描述和仿真验证本课题组拥有多种先进的仪器设备，工作站，评估板，EDA（电子辅助设计）工具软件具体如下：Sun Blade 2002 工作站 2 台HP 16500A 逻辑分析仪 1 台Tektronix TLA602 逻辑分析仪 1 台Tektronix AWG 2021 波形发生器 1 台Tektronix TDS2024 数字示波器 1 台Memec-Insight Xlinx Viretx-II DBM1000 开发板 2 套SIA Xlinx Spantan-IIE300 开发板 2 套Intel 2.0/2.4GHz PC 个人计算机 20 台Synopsys Design Platform and Verification Platform Mentor Graphics Calibre, ModelSim, DFT7、 、现现有技有技术术的知的知识产权识产权情况及自主知情况及自主知识产权识产权的的拥拥有有设设想；想；现有的知识产权包括：自主知识产权的现场总线网络控制器，自主知识产权的现场总线通信协议软件包，自主知识产权的现场总线控制功能块软件包。

设想拥有的自主知识产权是现场总线专用芯片三、项目可行性分析1、 资资金筹措方案、投融金筹措方案、投融资计资计划、划、预预算安排；算安排；拟申请 50 万元资。