基于FPGA的PLC輸入存儲與讀取控制器的設(shè)計

李　靜，蔡啟仲，張　煒，張玲玲

(1．桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西桂林　541004；2．廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州　545006)

0　引言

可編程控制器(PLC：Programmable Controller)是現(xiàn)代工業(yè)控制極其重要的核心器件。PLC在輸入采集階段讀入所有開關(guān)量的狀態(tài)，并存入輸入映像存儲器，在PLC用戶程序執(zhí)行過程中，需要頻繁地對輸入映像存儲器進行讀操作，讀取PLC指令執(zhí)行所需開關(guān)量軟元件的位信息或4位1組以及多組4位1組信息構(gòu)成的開關(guān)量數(shù)據(jù)[1-2]。為了簡便高速地讀取相應的位信息和數(shù)據(jù)，利用FPGA高效的運算能力和并行處理的特點，設(shè)計PLC輸入存儲與讀取控制器，在內(nèi)部時序脈沖控制下，通過地址運算或移位方法迅速讀取開關(guān)量的位信息和數(shù)據(jù)，解決控制器的時序脈沖與命令執(zhí)行過程中的相關(guān)問題，從而有效地提高可編程控制器執(zhí)行指令的速度。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1系統(tǒng)基本功能

(1)輸入信號采集：PLC輸入采集階段，直接讀取PLC輸入端口開關(guān)量信息傳輸給映像存儲器，采取一次讀入64位數(shù)據(jù)的方式。

(2)高速輸入位信息的讀取：在PLC執(zhí)行高速指令時直接從PLC的輸入端口X00～X07讀取1位信息。

(3)PLC程序執(zhí)行過程中位信息的讀?。涸赑LC執(zhí)行程序時直接從映像存儲器讀取位信息，這是PLC執(zhí)行程序時使用頻率最高的功能。

(4)PLC程序執(zhí)行過程中數(shù)據(jù)信號的讀?。哼@是針對PLC程序執(zhí)行過程中類似于X4K3這樣由位組成的數(shù)據(jù)，針對這種情況PLC 需要讀取4位信息為1組或多組以4位信息為1組的信息(即4，8，12，16，20，24，28，32位的形式)。

根據(jù)系統(tǒng)的4個基本功能確定系統(tǒng)的4個功能命令：輸入信號采集命令、高速輸入位信息讀取命令、位信息讀取命令和數(shù)據(jù)信號讀取命令。

1．2系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示，分為6個部分：PLC輸入端口與映像存儲模塊、命令譯碼與操作地址信息模塊、高速輸入位信息控制模塊、位信息讀取控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸控制模塊和存儲矩陣模塊。

其工作流程為：系統(tǒng)一個寫脈沖WR寫入命令，經(jīng)過譯碼得到執(zhí)行的功能命令；執(zhí)行輸入信號采集命令時，將PLC輸入端口的信息以64位的形式一次讀入映像存儲器，并在內(nèi)部時序脈沖作用下自主完成4位1組輸入數(shù)據(jù)的所有數(shù)據(jù)的組合，并按照順序存入存儲矩陣中。執(zhí)行讀取命令時，一個讀脈沖RD即可讀出位信息、高速輸入位信息或數(shù)據(jù)至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線[3-4]。

圖1　PLC輸入存儲與讀取控制器結(jié)構(gòu)圖

PLC共有64個輸入端口X00～X63；系統(tǒng)復位信號為低電平有效；系統(tǒng)地址總線定義為5位，地址值為本模塊地址時，使能片選信號；總線通過32位數(shù)據(jù)總線D31～D0寫入命令和操作位；用WR和RD控制數(shù)據(jù)的寫和讀，當寫信號WR作用時將來自系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的命令字寫入命令譯碼與操作地址信息模塊；當讀信號RD作用時，讀出位信息或數(shù)據(jù)至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線[5-6]。

2　功能模塊設(shè)計

2.1PLC輸入端口與映像存儲模塊

PLC輸入端口與映像存儲模塊由PLC輸入端口、PLC輸入調(diào)理電路、FPGA輸入端口、64位入64位出輸入映像存儲器組成。

PLC輸入端口與外部輸入開關(guān)和PLC輸入調(diào)理電路連接，PLC輸入端口從外部輸入開關(guān)獲得64位開關(guān)量信息，并將開關(guān)量信息傳輸給PLC輸入調(diào)理電路，PLC輸入調(diào)理電路將0～24 V開關(guān)量調(diào)理成為FPGA端口輸入對應的0～3 V信號，并對開關(guān)信號濾波，消除開關(guān)輸入信號的抖動。在輸入采集信號的作用下，將64位開關(guān)量信號存入64位入64位出輸入映像存儲器中。

2．2命令譯碼與操作地址信息模塊

命令譯碼與操作地址信息模塊是PLC輸入存儲與讀取控制器的控制核心，用來完成輸入命令的譯碼和操作地址的存儲。該模塊主要包括模塊地址識別、命令寄存器和操作特征譯碼器。

系統(tǒng)選定PLC輸入存儲與讀取控制器工作時，系統(tǒng)地址總線的地址值和模塊地址相同，模塊地址識別輸出片選信號為“0”，使能命令寄存器，在系統(tǒng)寫脈沖WR作用下，將系統(tǒng)32位數(shù)據(jù)(D31～D0)存儲在命令寄存器中，操作特征譯碼器根據(jù)存儲在命令寄存器中的3位命令字，決定執(zhí)行的命令。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線輸入的命令字主要分為3部分：操作特征編碼線、X元件編號、3位X組值。

(1)操作特征編碼線(D11～D9)：操作特征編碼線經(jīng)過譯碼輸出5個譯碼值作為輸入模塊4個功能的命令線和復位輸出。操作特征編碼如表1所示。

表1　操作特征編碼

(2)X元件編號(D8～D3)：作為讀取命令時軟元件尋址的地址編碼。位信息讀取時，編碼位分為2部分：高4位(D8～D5)作為X軟元件的組編碼地址，每4個X軟元件編為1組，低2位(D4～D3)作為X軟元件的組內(nèi)編碼地址；高速輸入位信息讀取時只取X元件編號的低3位(D5～D3)作為元件的尋址地址；數(shù)據(jù)信號讀取命令作用時，用X元件編號的高4位(D8～D5)來尋找組內(nèi)首元件的地址。

(3)3位X組值(D2～D0)：數(shù)據(jù)信號讀取命令作用時，X組值用來尋找組號K1～K8。

2．3位信息讀取控制模塊

位信息讀取控制模塊主要由64位入4位出存儲模塊、4位入1位出控制模塊和三態(tài)門組成。圖2為位信息讀取控制模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2　位信息讀取控制模塊結(jié)構(gòu)圖

寫脈沖WR作用時，6位X元件編號通過命令寄存器直接寫進來，按照X元件編號高4位編碼地址，選定64位入4位出存儲模塊中1組4位信息輸出至4位入1位出控制模塊；根據(jù)X元件編號的低2位指定的組內(nèi)編碼地址選定4位入1位出控制模塊的1位信息輸出至三態(tài)門的輸入端口；在位信息讀取命令和讀信號RD的作用時，三態(tài)門輸出位信息至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的D0位。

位信息的尋址設(shè)計：用X元件編號實現(xiàn)尋址，首先將X63～X00軟元件4位1組進行分組，64位共計16組，每個組內(nèi)的4個元件編號的高4位二進制數(shù)相同，為0000H～1111H。用X元件編號的高4位來表示這16組的首元件地址，然后將每個組內(nèi)的4個元件用X元件編號的低2位來尋址，從首元件開始依次為00～11。例如X53，X元件編號為110101，高4位地址為1101(52)，先選定X55～X52這一組，然后根據(jù)低二位地址01，選定X53的位信息。

2．4高速輸入位信息控制模塊

該模塊主要由3-8譯碼器和8個三態(tài)門組成。

3-8譯碼器的輸入端是X元件編號低3位，輸出端分別作為8個三態(tài)門的控制信號，低電平有效；8個三態(tài)門的輸入端對應X0～X7的8個軟元件位信息。當高速輸入位信息讀取命令作用時，3-8譯碼器使能，按照X元件編號低3位譯碼輸出，3-8譯碼器有1個輸出端為“0”，選定一個三態(tài)門導通，在讀信號RD作用下，讀出選定的軟元件位信息至數(shù)據(jù)總線的D0位。

2．5存儲矩陣模塊

存儲矩陣模塊主要實現(xiàn)PLC應用指令中由位組成的數(shù)據(jù)的存儲。基本思路是：設(shè)計一個雙端口存儲矩陣，存儲4位1組或多組4位1組的數(shù)據(jù)，將所有這種數(shù)據(jù)組合存儲在矩陣中的相應位置；PLC執(zhí)行程序過程中，數(shù)據(jù)信號讀取命令作用時，根據(jù)地址運算的結(jié)果選定雙端口存儲矩陣的單元內(nèi)容，讀出4位1組的信息。該模塊主要包括存儲矩陣、-1計數(shù)器。圖3為存儲矩陣控制模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖3　存儲矩陣控制模塊結(jié)構(gòu)圖

該存儲矩陣共有100個存儲單元，表2是存儲矩陣00～09H地址單元存儲內(nèi)容示意圖，對于每個首個X的K值按照K1、K2～K8排列，寫入操作按照表中的順序輸入，例如，第1行～第8行，首先寫入地址為00的存儲單元的內(nèi)容為X00～X04的位信息。然后將X00～X04、X05～X08的信息寫入地址為01的存儲單元，依次類推按照順序存儲。觀察K1X00和K1X04，序號1的X00的地址為00，序號9的X04的地址為08，恰好是4位1組的4位數(shù)據(jù)的首元件編號的2倍。確定存儲矩陣的讀出地址有7位，由2個參數(shù)組成，一是X元件編號高4位，其值從0000～1000，將其與存儲矩陣的高4位地址線連接。二是3位X組值，確定K1～K8這樣的組號，將K值[組號]-1的值與存儲矩陣的低三位地址線連接。

最終得出存儲矩陣地址運算公式：

任何一個單元地址的計算=X元件首地址×2+(K值[組號]-1)

2．6數(shù)據(jù)傳輸控制模塊

數(shù)據(jù)傳輸控制模塊為存儲矩陣模塊提供地址運算和時序控制。該模塊由地址與時序控制模塊、64入4位出存儲模塊、4入32位出存儲模塊和脈沖分配器組成。其中，脈沖分配器是PLC輸入存儲與讀取控制器實現(xiàn)自主控制的重要手段。圖4為脈沖分配器脈沖輸出波形。

表2　存儲矩陣示意表格

圖4　脈沖分配器脈沖輸出波形

輸入信號采集命令作用時，啟動脈沖分配器作為該模塊的內(nèi)部時序控制信號。脈沖A作用時，將映像存儲器中的X63～X00的軟元件信息存儲在64位入4位出存儲模塊；脈沖B作用時，按照地址與時序控制模塊的地址運算結(jié)果指定的4位數(shù)據(jù)輸出到內(nèi)數(shù)據(jù)總線；脈沖C作用時，4位入32位輸出存儲模塊按照地址與時序控制模塊的運算結(jié)果，將數(shù)據(jù)線上的4位數(shù)據(jù)信息存進相應的存儲單元。脈沖D作用時，按照地址與時序控制模塊運算的地址值輸出32位信息至存儲矩陣模塊。

3　仿真與驗證

完成相應設(shè)計后，采用在底層設(shè)計方面更具優(yōu)勢的Verilog HDL語言來完成有關(guān)硬件的描述，編寫testbench．v文件用于模擬外部系統(tǒng)輸入信號，然后使用ModelSim軟件進行功能仿真，觀察該控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)的變化以及外部端口的輸出狀態(tài)[7-8]。

測試方法為：

(1)根據(jù)各個模塊的功能要求編程完成仿真，然后編寫頂層文件，將這些模塊例化在頂層文件中，使其關(guān)聯(lián)起來；

(2)對PLC輸入存儲與讀取控制器的輸入采集命令以及3種讀取方式進行測試。寫入功能命令，測試該控制器能否完成位信息或數(shù)據(jù)的正確讀取[9-10]。

PLC輸入存儲與讀取控制器位信息讀取仿真圖如圖5所示。寫入PLC輸入采集命令Ox00000209，將64位開關(guān)量信息Ox1111111111111111存入映像存儲器，同時啟動脈沖分配器工作，在內(nèi)部時序脈沖的作用下獨立完成數(shù)據(jù)的讀入操作；寫入數(shù)據(jù)信號讀取命令Ox00000C09 ，當讀信號RD使能時，讀出存儲矩陣中地址為00H的4位信息為1組的數(shù)據(jù)Ox00000001，寫入Ox00000C0A命令時，讀出存儲矩陣中地址01H的2組4位信息為1組的數(shù)據(jù)Ox00000011；寫入高速位信息讀取命令Ox00000601和位信息讀取命令Ox00000409時，在讀信號RD作用下，分別讀出位信息X0和X1至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線D0位，如圖5中所示D0分別為1和0。符合設(shè)計要求。

圖5　PLC輸入存儲與讀取控制器位信息讀取仿真圖

經(jīng)測試，無論是讀取輸入位信息、高速輸入位信息還是數(shù)據(jù)信號，只需要在系統(tǒng)的寫信號WR作用下將命令寫入命令寄存器，在系統(tǒng)讀信號RD的作用下將選中的位單元信息發(fā)送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，使輸入信息的讀取更簡便。表明此FPGA系統(tǒng)可以初步實現(xiàn)PLC輸入存儲與讀取控制器的預期功能。

4　結(jié)論

PLC輸入存儲與讀取控制器在內(nèi)部時序脈沖作用下，具有自主組織4位1組輸入數(shù)據(jù)的功能，使得輸入采集與其他控制器模塊實現(xiàn)并行處理；PLC用戶程序執(zhí)行過程中，位信息、高速輸入位信息和數(shù)據(jù)信號讀取都只需要2個PLC系統(tǒng)時鐘，提高了PLC執(zhí)行指令序列的速度，增強了控制性能。

參考文獻：

[1]李青云．PLC可編程控制器的應用及發(fā)展趨勢探析．中國科技信息，2010(16)：117．

[2]方承遠，張振國．工廠電氣控制技術(shù)．3版．北京：機械工業(yè)出版社，2006．

[3]侯鴻佳，蔡啟仲，陳文輝，等．ARM+FPGA組成的PLC結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)．廣西工學院學報，2012(1)：60-64．

[4]黎娜，蔡啟仲，黃捷峰．基于ARM7與FPGA組成的可編程控制器，微計算機信息，2008(4)：54-58．

[5]夏宇聞．Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程．2版．北京：北京航空航天大學出版社，2008．

[6]華清遠見嵌入式培訓中心．FPGA應用開發(fā)入門與典型實例．北京：人民郵電出版社，2008：6．

[7]王強，文豐，任勇峰．基于FPGA的高速實時數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2009(1)：50-52．

[8]王榮揚，殷勇輝．偽隨機序列超聲測距系統(tǒng)與FPGA．儀表技術(shù)與傳感器，2013(2)：46-48．

[9]李霞，蔡啟仲，陳文輝．基于CAN的嵌入式PLC和監(jiān)控系統(tǒng)通信設(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器，2011(10)：41-43．