基于ARM7與FPGA組成的可編程控制器

1 引言

可編程控制器（Programmable Logic Controller）具有抗干擾強(qiáng)、可靠性高、編程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)小型可編程控制器難以將智能控制算法嵌入到控制系統(tǒng)中。本文以嵌入式微處理器S3C44B0X＋FPGA為核心設(shè)計(jì)通用小型的可編程控制器，論述了PLC主機(jī)各功能模塊通過(guò)CAN總線與S3C44B0X連接的接口電路和主機(jī)程序設(shè)計(jì)及執(zhí)行過(guò)程。通過(guò)FPGA配置I/O口和嵌入先進(jìn)的智能控制算法，如PID、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，這些控制算法作為控制模塊嵌入PLC的梯形圖程序中作為功能模塊調(diào)用，各個(gè)模塊之間通過(guò)CAN總線連接，用戶根據(jù)被控對(duì)象現(xiàn)場(chǎng)的需求可以選擇多個(gè)人機(jī)界面裝置，提供監(jiān)控控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的便利。

2 PLC系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用32位嵌入式微處理器S3C44B0X作為可編程控制器的CPU，以此為核心擴(kuò)展系統(tǒng)需要的存儲(chǔ)器；通過(guò)FPGA擴(kuò)展PLC所需要的I/O口，完成相應(yīng)輸入輸出模塊的設(shè)計(jì)；系統(tǒng)通過(guò)微處理器的SPI接口擴(kuò)展CAN總線，用于連接上位機(jī)、主控機(jī)、編程器、以及液晶顯示與觸摸屏等功能模塊進(jìn)行通信，用戶根據(jù)被控對(duì)象現(xiàn)場(chǎng)需求可以選擇多個(gè)人機(jī)界面裝置，這些裝置作為擴(kuò)展模塊掛接在CAN總線上；實(shí)現(xiàn)智能控制算法的FPGA與主機(jī)微處理器S3C44B0X的I/O口連接。用戶使用手持編程器編寫(xiě)指令表程序后，通過(guò)CAN總線傳輸?shù)娇刂浦鳈C(jī)的存儲(chǔ)器中，以便CPU執(zhí)行這些程序；系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中，在監(jiān)控系統(tǒng)中顯示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)；FPGA實(shí)現(xiàn)的智能控制算法作為控制模塊嵌入PLC梯形圖程序中作為功能模塊調(diào)用。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

3 PLC主控器的設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展

3.1.1 存儲(chǔ)器Nor Flash 的擴(kuò)展

可編程控制器需要掉電保存系統(tǒng)啟動(dòng)的引導(dǎo)程序、梯形圖或指令表程序，以及解釋梯形圖或指令表的解釋程序，而S3C44B0X微處理器內(nèi)部沒(méi)有存儲(chǔ)器。閃速存儲(chǔ)器（Flash Memory）具有非易失性，并且可輕易擦寫(xiě)，在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。所以本課題采用了2MB的SST39VF1601存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)上面提到的引導(dǎo)程序、解釋程序及用戶程序。該存儲(chǔ)器采用標(biāo)準(zhǔn)的總線接口與處理器交互，對(duì)它的讀取不需要任何特殊的代碼。由于系統(tǒng)啟動(dòng)的引導(dǎo)程序儲(chǔ)存在Flash ROM，要把其映射在處理器的Bank0地址空間，這樣系統(tǒng)上電復(fù)位后，處理器就自動(dòng)從0x00000000地址處開(kāi)始取得指令運(yùn)行。Flash與S3C44B0X的接口電路圖如圖2所示。處理器ADDR20～1對(duì)應(yīng)著Flash ROM的A19～0，偏移了1位，這是由于S3C44B0X是按照字節(jié)編址的，而Flash ROM是以16位為一個(gè)存儲(chǔ)單元。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1.2 SDRAM 的擴(kuò)展

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM(Random Access Memory)是易失性的存儲(chǔ)器，在掉電后數(shù)據(jù)即消失。但與ROM器件不同的是，它的隨機(jī)讀寫(xiě)速度非?？?，寫(xiě)入數(shù)據(jù)之前也不需要進(jìn)行擦寫(xiě)，這些特性使它成為嵌入式系統(tǒng)中必不可少的存儲(chǔ)設(shè)備之一。為了提高系統(tǒng)執(zhí)行的速度，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，把梯形圖或指令表程序復(fù)制到讀寫(xiě)更快的RAM中，這樣系統(tǒng)執(zhí)行程序的過(guò)程在RAM中完成，提高了可編程控制器掃描程序的周期。

常用的RAM分為SRAM和DRAM兩種類型，其中DRAM又分為DRAM和SDRAM。S3C44B0X芯片本身提供了與DRAM與SDRAM直接接口的解決方案，因此只需對(duì)與存儲(chǔ)器控制器相關(guān)的寄存器進(jìn)行的適當(dāng)?shù)呐渲?。本系統(tǒng)采用的同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器SDRAM為8MB的HY57V641620，映射在Bank6地址空間。接口電路圖如3所示。這里的BA即A22～21。由于HY57V641620的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為：1Mbⅹ16ⅹ4 Bank，在電路上以A22～21作為bank地址選擇線。[!--empirenews.page--]

圖2  程序存儲(chǔ)器Nor Flash的擴(kuò)展 圖3  SDRAM的擴(kuò)展

3.1.3 EEPROM的擴(kuò)展

在可編程控制器中，一些編程軟元件的數(shù)據(jù)內(nèi)容需要掉電保存，如：D數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、部分特殊輔助繼電器M等。系統(tǒng)通過(guò)S3C44B0X自帶的IIC接口擴(kuò)展EEPROM，用來(lái)保存這些掉電需要保存數(shù)據(jù)的編程軟元件，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先把這些軟元件的值從EEPROM拷貝到SDRAM中，以便提高系統(tǒng)執(zhí)行速度。采用的EEPROM型號(hào)為：AT24C512，系統(tǒng)擴(kuò)展原理圖如下。系統(tǒng)擴(kuò)展只需要兩根線，一根數(shù)據(jù)線，一根時(shí)鐘線，這兩根線加上拉電阻是因?yàn)镮IC總線是開(kāi)漏輸出。

 圖4  IIC接口擴(kuò)展EEPROM

3.2 I/O口擴(kuò)展

在嵌入式微處理器S3C44B0X中總共有71個(gè)普通的I/O口，這些I/O引腳大多都是多功能引腳，其中一些I/O口已經(jīng)作為專門(mén)的應(yīng)用。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)需要128個(gè)I/O口，即可編程控制器具備128個(gè)點(diǎn)，這樣微處理器本身的I/O口無(wú)法滿足系統(tǒng)的需要，需要通過(guò)FPGA擴(kuò)展。

采用的FPGA型號(hào)為EP1K30TC208-3。該芯片具有208個(gè)引腳，可配置的I/O口最多達(dá)到147個(gè)。系統(tǒng)通過(guò)S3C44B0X總線進(jìn)行擴(kuò)展，這樣操作FPGA的I/O口就像操作ARM本身的I/O口一樣，操作起來(lái)非常的方便。FPGA與S3C44B0X的連接框圖如圖5：

ARM地址線、數(shù)據(jù)線與FPGA的地址線、數(shù)據(jù)線連接，由于FPGA每個(gè)存儲(chǔ)單元是16位，而ARM微處理器每次處理的是8位，因此地址線要偏離一位；FPGA的存儲(chǔ)單元映射到ARM中的Bank2；nOE、nWE分別是讀寫(xiě)信號(hào)線；TxD0用來(lái)下載FPGA工作需要的配置文件；PF2、PF3、TxD0共三根線提供FPGA啟動(dòng)工作需要的時(shí)序；SCLK是ARM與FPGA工作（讀、寫(xiě)）需要的時(shí)鐘。

3.3 輸入輸出模塊的擴(kuò)展

可編程控制器輸入輸出模塊主要有數(shù)字量和模擬量輸入輸出。模擬量的輸入輸出即A/D、D/A是對(duì)象過(guò)程參數(shù)和PLC主機(jī)之間的接口。對(duì)象過(guò)程參數(shù)經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電量后，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入PLC主機(jī)中；PLC主機(jī)經(jīng)過(guò)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。由于S3C44B0X微處理器內(nèi)部帶有了8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，在一些要求不是很高的控制領(lǐng)域，該轉(zhuǎn)換器可以滿足要求，因此不需擴(kuò)展。S3C44B0X內(nèi)部沒(méi)有D/A轉(zhuǎn)換器，所以采用的D/A轉(zhuǎn)換器為MAX5741進(jìn)行擴(kuò)展，該轉(zhuǎn)換器是4路10位，使用SPI接口進(jìn)行擴(kuò)展，其與微處理器的連接原理圖如圖6：

圖5  FPGA配置I/O口   圖6  D/A轉(zhuǎn)換器的擴(kuò)展[!--empirenews.page--]

3.4 CAN總線擴(kuò)展

系統(tǒng)使用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線在各個(gè)模塊之間交換數(shù)據(jù)、通信，如：用戶使用手持編程器或PC機(jī)編寫(xiě)梯形圖或指令表程序后，通過(guò)CAN總線把程序傳輸?shù)絇LC主機(jī)中。由于微處理器S3C44B0X本身沒(méi)集成CAN控制器，需要單獨(dú)擴(kuò)展CAN控制器，采用的CAN控制器為MCP2510，收發(fā)器為PCA82C250。MCP2510工作電壓為3.3V，能夠直接與S3C44B0X微處理器I/O口相連。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾性，可在CAN控制器和收發(fā)器之間加光耦隔離6N137，原理圖如圖7：

圖7  CAN總線的擴(kuò)展

4程序設(shè)計(jì)及執(zhí)行過(guò)程

程序設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是編寫(xiě)梯形圖或指令表程序的解釋程序。根據(jù)指令的邏輯關(guān)系，分別給每條指令編寫(xiě)其對(duì)應(yīng)的子程序，當(dāng)CPU掃描到某條指令的編碼時(shí)，就調(diào)用其子程序，進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并把結(jié)果送到映像寄存器中。

程序執(zhí)行過(guò)程分為三個(gè)階段：輸入處理階段、程序執(zhí)行階段、輸出處理階段。如圖8所示。系統(tǒng)上電后，完成堆棧、存儲(chǔ)器、中斷等的初始化；把D數(shù)據(jù)寄存器值、部分M特殊輔助寄存器值等一些需要掉電保持的數(shù)據(jù)，從EEPROM拷貝到SDRAM指定的地址中；把用戶編寫(xiě)的梯形圖或指令表程序從Nor Flash拷貝到SDRAM中以便提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。最后系統(tǒng)才真正開(kāi)始掃描用戶編寫(xiě)的梯形圖或指令表程序。

在輸入處理階段，CPU讀取所有輸入端子的狀態(tài)，并把這些狀態(tài)內(nèi)容保存在輸入映像寄存器中；在程序執(zhí)行階段，CPU根據(jù)輸入狀態(tài)的信息，從梯形圖或指令表程序的第一步開(kāi)始執(zhí)行，當(dāng)CPU掃描到有關(guān)智能控制模塊時(shí)，把智能控制模塊的一些設(shè)置值、參數(shù)送到FPGA中， FPGA在主機(jī)掃描程序的同時(shí)，并行處理智能控制算法，并不斷的把運(yùn)算的結(jié)果送到控制參數(shù)存儲(chǔ)器中；在輸出處理階段，把輸出映像寄存器中的內(nèi)容送到輸出鎖存寄存器中，使輸出端口電平發(fā)生變化，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)要控制的對(duì)象，最后把指針指向程序的第一步，使程序周而復(fù)始的工作，直到收到停止工作信號(hào)為止。

圖8  程序執(zhí)行過(guò)程

5 結(jié)論

本文創(chuàng)新點(diǎn)：基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線、嵌入式微處理器S3C44B0X+FPGA設(shè)計(jì)的可編程控制器，采用了32位集成度高的嵌入式微處理器S3C44B0X為核心，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度；通過(guò)FPGA配置I/O口，解決了眾多芯片I/O口不足的問(wèn)題，滿足了工業(yè)控制領(lǐng)域的需求。同時(shí)在FPGA中實(shí)現(xiàn)的智能控制算法作為功能模塊嵌入PLC梯形圖程序中，主機(jī)執(zhí)行程序的同時(shí)，FPGA也在并行完成智能控制算法的運(yùn)算，即不影響系統(tǒng)執(zhí)行的速度，又解決了傳統(tǒng)小型PLC不能嵌入智能算法的問(wèn)題。