關于ARM+FPGA組建PLC高速指令控制器的研究

徐曉宇，田高華，劉秋生

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關于ARM+FPGA組建PLC高速指令控制器的研究

徐曉宇，田高華，劉秋生

（江西應用技術職業學院，江西 贛州 341000）

為了提高PLC在生產當中的執行效率，設計了關于FPGA和ARM組建的PLC高速指令控制器，充分利用FPGA高速的并行執行特性以及芯片特性，將ARM編譯后用相應的指令完成對應的功能，ARM處理器與FPGA協同工作，完成整個PLC的指令過程，提高了指令的執行效率。

高速指令控制器；并行執行；協同工作；執行效率

目前，PLC主要用于工業控制，隨著產業技術升級和復雜化，為了推動自動化發展走向智能化，PLC的執行效率和準確度都迫切需要提高，從而提升生產效率[1]。

1 總體設計

通過介紹分析PLC系統結構特點和電子系統設計模型，設計ARM和FPGA協同構建的PLC高速指令控制器，主要以FPGA構建的接口電路、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，并將執行之后的結果上傳至雙口RAM，返回至ARM處理器，以實現PLC指令的執行過程[2]。構建成一種基于FPGA的PLC指令控制器，設計的指令按照相應的時序和指令通信協議執行。

2 結構設計

設計的PLC高速指令控制器結構由ARM和FPGA兩部分組成，根據PLC指令的執行要求，組件的系統結構分為指令傳輸部分和指令處理部分，通過結構進而分析指令的執行過程，結構如圖1所示。指令由ARM發出，通過總線傳輸到FPGA，再經過PLC高速指令控制器將指令傳輸至各個執行電路，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器進行總線連接，并通過總線傳輸PLC指令數據和控制命令。

圖1 FPGA構建PLC高速指令控制器的整體結構框圖

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據交換，并實現對執行模塊的時序控制。構建的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據傳輸等功能模塊[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，最終到達各個執行模塊。INT0作為中斷信號來檢測判斷，觸發相應的操作。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端口寫入數據，并且在B端口的片選信號和讀信號的作用下，通過B端口讀出數據，雙口RAM中有一部分指令區，用于執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等指令，當地址總線為12’h3f0時片選該指令區，這一類需要進行命令譯碼，否則，數據傳遞至雙口RAM存儲的其他區域。③在數據傳送至雙口RAM指令區之后，判斷執行控制器的讀信號線，低電平時讀入數據至指令控制器。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，按照指令編譯的規則，對模塊地址的劃分使指令的執行更加有序，地址判斷作為各個模塊的選中依據。⑤指令控制器選中相應模塊之后執行對應操作，指令完畢后中斷返回，數據通過數據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的相關存儲單元中，指令過程完畢[4]。

4 總結

設計的PLC高速指令控制器基本實現了設計要求，能夠通過串口監測PLC指令收發的準確性，本設計針對ARM與FPGA通信接口的設計實現了數據通信的基本功能需求，通信速率還可以進一步加快，進而加快指令執行的速度，最終初步使構建的PLC系統更加穩定、高效率地運行。

［1］秦魏，劉芹，周盼.PLC的發展及應用［J］.科技致富向導，2011，08（25），110.

［2］朱曉鵬.ARM+FPGA嵌入式系統設計及在測量儀器上的應用［D］.南京：江蘇大學，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計［J］.工程與試驗，2010（02）：59-61.

2095－6835（2019）02－0052－02

F724

A

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〕