基于EDA技术的新型PLC微控制器的研究与设计

刘彤

（湖南铁道职业技术学院湖南株洲412001）

基于EDA技术的新型PLC微控制器的研究与设计

刘彤

（湖南铁道职业技术学院湖南株洲412001）

近年来国产PLC技术得到了快速发展，但缺乏核心技术，制约着国产PLC技术的发展和提高。本文研究基于EDA技术，以FPGA为核心的硬件平台为开发对象，Veri1og硬件描述语言灵活设计的PLC微控制器，建立了以FPGA为主控芯片的PLC微控制器的硬件平台；确定存储器用户内存和应用内存的地址分配，确定软元件地址的寻址方式和计算方法。针对指令系统中的定时、计数器指令的特殊性，研究和设计多个定时、计数器实现方法和实现单元，通过仿真进行功能验证。目前国内外并不多见，还处在起步研究阶段，具有较好的学术研究价值和应用价值。

可编程序控制器；EDA；FPGA；微控制器；Veri1o

目前机电一体化设备控制系统、现场控制总线和工业控制计算机为核心的分布式控制系统等几乎全部都是国外进口PLC产品，价格高，技术垄断，此外，目前的小型PLC难以将智能控制算法嵌入到PLC中［1_3］。因此本文研究基于EDA技术，以FPGA为核心的硬件平台为开发对象，Veri1og硬件描述语言灵活设计的PLC微控制器。

1　PLC微控制器架构

1.1PLC的基本组成

其基本构成主要有地址产生单元、指令寄存器单元、算术逻辑运算单元、逻辑指令运算单元、输入/输出单元、定时/计数单元、总线仲裁器、F1ash、Sram控制器和主控制器单元等［4_5］。如图1所示。

1.2PLC微控制器工作流程

微控制器的工作流程如图2所示。PLC微控制器上电运行前，根据外部开关的位置可以选择工作方式，可以在F1ashROM中运行程序，也可以选择RAM中运行程序，还可以进入编程模式进行程序下载［6］。

2　数据通道与控制器设计

数据通道包括运算单元（完成算术、逻辑运算等）和其它特定功能单元，是数据在系统的运算单元、特定功能单元和内部寄存器之间移动，以及移动数据进出外部系统的通道。它由地址生成单元、算术逻辑运算器单元、指令寄存器单元、逻辑指令运算器单元、sram控制器单元、nor_f1ash控制器单元、输入输出单元和总线仲裁单元8个部分构成。

2.1主控制器单元设计

主控制器单元是PLC微控制器的重要单元，对用户指令编译和执行的所有时序都是由主控制器单元决定。主控制器单元根据要执行的指令按照一定的时序，通过数据通道把数据传送到目的地。

2.1.1主控制器单元功能设计

主控制器单元向数据通道中的模块提供控制信号，在统一时钟的驱动下，决定数据在数据通道中的传输。主控制器单元的指令译码控制采用有限状态机实现。

主控制器单元根据指令的种类进行译码操作。在基本指令当中又分为3种类型，第一种是LD、LOR类型指令；第二种是其它无操作数指令；第三种是其它单操作数指令。状态机主要有4个阶段：扫描输入、取指令、译码和执行。取指令阶段是从存储器中得到指令，译码阶段是编译指令、控制数据通道和装载寄存器，执行是产生指令的结果会写存储器相应区域。扫描输入阶段需要4个时钟周期，读取两个输入单元的状态，并写入存储器的X输入映像区。取指令阶段需要4个时钟周期，两个时钟周期用来装载地址寄存器，另两个时钟周期用来从存储器中得到给定地址的数据字，实体结构如图3所示。

图1　PLC微控制器结构框图

图2　PLC微控制器工作流程图

图3　控制单元实体结构图

2.1.2主控制器单元译码和执行流程

指令编译流程图如图4所示。

2　.2　输入输出单元

图4　指令编译流程图

输入端子分为两组，每组32个，共64个输入端子。输入单元的状态存储由两个单元的32位存储器组成，综合后实际是深度为2，宽度为32的SRAM存储器。

2.3Nor_flash控制器单元

实体结构如图5所示。

图5　nor f1ash控制单元实体结构图

通过ce、oe和we三根控制信号，就能完成读数据过程。如果是在写操作过程，必须写入命令字，返回读模式。ce、oe 和we是与总线控制器相连接的f1ash控制信号，datain、dataout和addressin是与总线控制器相连接的数据输入输出和地址总线。f_ce、f_oe和f_we信号直接连接外部f1ash芯片的读写片选信号，data和addressout直接连接外部f1ash芯片的数据和地址总线。

2.4算术逻辑运算器单元与指令寄存器单元

运算器是数据加工和处理部件，是中央处理器的重要组成部分。

PLC的算术逻辑器运算单元包括数据锁存器A、B、算术逻辑运算单元（ALU）和累加器（ACC）等3个部分。指令寄存器是用来存放当前正在执行的指令。复位后，指令寄存器被清为零。

3　结论

在分析PLC结构和工作原理的情况下，以FPGA为载体，利用现代EDA技术，借鉴RISC微处理器的工作原理，研究设计PLC新型微控制器及其指令系统。采用Veri1og_HDL语言编写微控制器系统程序，实现PLC微控制器功能。

［1］冯进玫，丁群，孙晓军，等.利用VHDL语言实现Hopfie1d神经网络运算［J］.电测与仪表，2005，42（3）：42_44.

［2］黎娜，蔡启仲.基于ARM7与FPGA组成的可编程控制器［J］.微计算机信息，2008，24（10）：44_46.

［3］郭毅锋，蔡启仲.基于ARM7的PLC手持编程器通讯接口设计［J］.微计算机信息，2008，24（14）：139_140，255.

［4］程世威.PLC控制系统故障的维修方法分析［J］.科技与企业，2015（11）：77.

［5］赵玉友.PLC控制系统干扰因素与应对措施研究［J］.信息通讯，2015（4）：92_93.

［6］陈正茂.对PLC控制系统可靠性分析［J］.自动化控制，2015（7）：168.

Research and deslgn of neW tyPe mlcro-controller of PLC based on EDA technology

LIU Tong
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China）

In recent years，the domestic PLC techno1ogy has been rapid deve1opment，but the 1ack of core techno1ogy，restricts the deve1opment of domestic PLC techno1ogy and improve the.This study is based on the EDA techno1ogy，taking FPGA as the core hardware p1atform as the deve1opment object，the Veri1og hardware description 1anguage and f1exib1e design of PLC microcontro11er，bui1t with the FPGA as the main contro1 chip PLC micro contro11er hardware p1atformjdetermine the address a11ocation of memory the user memory and app1ication memory，determining the addressing mode and ca1cu1ation method of soft e1ement address.According to the particu1arity of the command system timer，counter instruction，research and design of mu1ti timer，counter imp1ementation methods and unit，the functiona1 verification by simu1ation.At home and abroad are rare，is sti11 in the initia1 stage of research，has good academic va1ue and app1ication va1ue.

PLC；EDA；FPGA；micro contro11er；Veri1og

TN302

A

1674_6236（2016）10_0177_03

2015_06_15稿件编号：201506152

2014年湖南省教育科学研究项目（14C0758）

刘彤（1972—），男，湖南株洲人，硕士，讲师。研究方向：控制理论与控制工程。