近年来，随着工业自动化的发展，传统现场总线由于其带宽及吞吐量等限制，已经无法满足现代工业的要求。实时以太网以其成熟的特性已成为自动化领域中不可或缺的技术。EtherCAT(Ethernet control automation technology)作为实时工业以太网的代表，以其速率快、实时性好、拓扑灵活等特点在工业自动化领域得到广泛应用。然而目前国内EtherCAT主从站的实现还需要依赖国外专用芯片和技术，研发具有自主知识产权的控制器芯片对逐步摆脱国外产品、降低应用成本具有重要意义。
　　在对EtherCAT协议深入研究的前提下，本文提出一种基于FPGA的EtherCAT主从站设计方案。该方案在不依赖于国外专用控制器芯片的前提下实现了一主多从的EtherCAT通信系统。针对EtherCAT主站与应用服务器通信中出现网络堵塞如何高效存储的问题，引入内存管理的方法。最后在上述工作的基础上设计了一种基于EtherCAT总线技术的烟雾报警系统。主要研究内容和创新工作包括:
　　(1)在对现有研究成果充分调研的基础上，提出一种低成本且拥有自主知识产权的EtherCAT主从站设计方案，该设计方案使用FPGA芯片实现主站和从站的相关功能。首先对EtherCAT主站和EtherCAT从站模块的设计思路进行详细的阐述，然后通过硬件描述语言Verilog HDL实现EtherCAT主从站各个模块的功能。并在此基础上搭建了硬件平台对其各项性能进行验证，最后通过示波器测量了EtherCAT主从站的实时性等性能指标。
　　(2)针对EtherCAT主站与应用服务器高速通信中出现网络堵塞如何高效存储的问题，提出一种基于FPGA的工业物联网缓冲内存管理设计方案。以SDRAM为存储介质，采用FPGA作为主控制器将SDRAM内存分成索引区和数据区，在高速通信中出现网络堵塞将数据帧暂存本地时，实现通过读写索引来读写数据的目的。最后通过RTL仿真和硬件平台验证了该内存管理系统的功能符合设计预期。
　　(3)在上述工作的基础上，提出一种基于EtherCAT总线技术的烟雾报警系统设计方案。该方案包括电流型烟雾检测传感器接入、网络传输控制系统、报警系统等模块。同时还提出一种FPGA芯片与ARM芯片的握手通信协议，解决了两者通信过程中的异步时钟域问题。首先对各个模块的设计思路进行详尽的介绍，最后搭建了测试平台测试了烟雾报警系统的准确性。该方案解决了基于无极性二线制数据总线的烟雾检测系统难以接入工业物联网，而针对工业物联网设计的烟雾检测传感器成本又相对较高的问题。