徐曉宇，田高華，劉秋生

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關(guān)于ARM+FPGA組建PLC高速指令控制器的研究

徐曉宇，田高華，劉秋生

（江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000）

為了提高PLC在生產(chǎn)當中的執(zhí)行效率，設(shè)計了關(guān)于FPGA和ARM組建的PLC高速指令控制器，充分利用FPGA高速的并行執(zhí)行特性以及芯片特性，將ARM編譯后用相應(yīng)的指令完成對應(yīng)的功能，ARM處理器與FPGA協(xié)同工作，完成整個PLC的指令過程，提高了指令的執(zhí)行效率。

高速指令控制器；并行執(zhí)行；協(xié)同工作；執(zhí)行效率

目前，PLC主要用于工業(yè)控制，隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級和復(fù)雜化，為了推動自動化發(fā)展走向智能化，PLC的執(zhí)行效率和準確度都迫切需要提高，從而提升生產(chǎn)效率[1]。

1 總體設(shè)計

通過介紹分析PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點和電子系統(tǒng)設(shè)計模型，設(shè)計ARM和FPGA協(xié)同構(gòu)建的PLC高速指令控制器，主要以FPGA構(gòu)建的接口電路、輸入輸出指令模塊、邏輯運算指令模塊為研究重點，最終PLC高速指令控制器將PLC指令通過雙口RAM存儲器傳送到輸入輸出模塊和邏輯運算模塊，并將執(zhí)行之后的結(jié)果上傳至雙口RAM，返回至ARM處理器，以實現(xiàn)PLC指令的執(zhí)行過程[2]。構(gòu)建成一種基于FPGA的PLC指令控制器，設(shè)計的指令按照相應(yīng)的時序和指令通信協(xié)議執(zhí)行。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的PLC高速指令控制器結(jié)構(gòu)由ARM和FPGA兩部分組成，根據(jù)PLC指令的執(zhí)行要求，組件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為指令傳輸部分和指令處理部分，通過結(jié)構(gòu)進而分析指令的執(zhí)行過程，結(jié)構(gòu)如圖1所示。指令由ARM發(fā)出，通過總線傳輸?shù)紽PGA，再經(jīng)過PLC高速指令控制器將指令傳輸至各個執(zhí)行電路，PLC高速指令控制器與雙口RAM模塊、邏輯運算電路、輸入輸出電路和定時計數(shù)器進行總線連接，并通過總線傳輸PLC指令數(shù)據(jù)和控制命令。

圖1 FPGA構(gòu)建PLC高速指令控制器的整體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 PLC高速指令控制器工作流程圖

3 工作流程

通過分析各個模塊電路的工作時序，根據(jù)雙口RAM特點和PLC高速指令控制器的指令格式需求，需要完成PLC高速指令控制器與各個模塊的數(shù)據(jù)交換，并實現(xiàn)對執(zhí)行模塊的時序控制。構(gòu)建的PLC高速指令控制器起到承上啟下的作用，具體包含指令高速傳輸、指令譯碼分析、指令的時序控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苣K[3]，PLC高速指令控制器工作的流程如圖2所示。工作流程如下：①程序執(zhí)行開始，首先檢測ARM的片選信號和寫信號是否同時為低電平，如果是低電平，則通過邊緣檢測電路不斷檢測是否有中斷INT0產(chǎn)生，否則返回開始階段。PLC高速指令控制器的每一條指令都經(jīng)過ARM至雙口RAM，通過總線傳輸至高速指令控制器，最終到達各個執(zhí)行模塊。INT0作為中斷信號來檢測判斷，觸發(fā)相應(yīng)的操作。②在A端口的片選信號和寫信號的作用下，通過雙口RAM的A端口寫入數(shù)據(jù)，并且在B端口的片選信號和讀信號的作用下，通過B端口讀出數(shù)據(jù)，雙口RAM中有一部分指令區(qū)，用于執(zhí)行指令控制器控制輸入采集、輸出刷新、邏輯運算和定時計數(shù)等指令，當?shù)刂房偩€為12’h3f0時片選該指令區(qū)，這一類需要進行命令譯碼，否則，數(shù)據(jù)傳遞至雙口RAM存儲的其他區(qū)域。③在數(shù)據(jù)傳送至雙口RAM指令區(qū)之后，判斷執(zhí)行控制器的讀信號線，低電平時讀入數(shù)據(jù)至指令控制器。④指令到達指令端口控制電路，判斷指令控制器的五位地址線，按照指令編譯的規(guī)則，對模塊地址的劃分使指令的執(zhí)行更加有序，地址判斷作為各個模塊的選中依據(jù)。⑤指令控制器選中相應(yīng)模塊之后執(zhí)行對應(yīng)操作，指令完畢后中斷返回，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線首先返回至指令控制器，通過指令控制器的判斷存儲至雙口RAM的相關(guān)存儲單元中，指令過程完畢[4]。

4 總結(jié)

設(shè)計的PLC高速指令控制器基本實現(xiàn)了設(shè)計要求，能夠通過串口監(jiān)測PLC指令收發(fā)的準確性，本設(shè)計針對ARM與FPGA通信接口的設(shè)計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信的基本功能需求，通信速率還可以進一步加快，進而加快指令執(zhí)行的速度，最終初步使構(gòu)建的PLC系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效率地運行。

［1］秦魏，劉芹，周盼.PLC的發(fā)展及應(yīng)用［J］.科技致富向?qū)В?011，08（25），110.

［2］朱曉鵬.ARM+FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計及在測量儀器上的應(yīng)用［D］.南京：江蘇大學(xué)，2008.

［3］S. Da'na，A. Sagahyroon，A. Elrayes，et al.Development of a monitoring and control platform for PLC-based applications［J］.Computer Standards & Interfaces，2008（30）：157-166.

［4］王永明，李金明，劉彥波，等.基于ARM與FPGA的試驗機控制器的設(shè)計［J］.工程與試驗，2010（02）：59-61.

2095－6835（2019）02－0052－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.052

徐曉宇（1988—），男，研究方向為控制理論與控制工程。

〔編輯：張思楠〕