关于ARM+FPGA组建PLC高速指令控制器的研究

徐晓宇，田高华，刘秋生



关于ARM+FPGA组建PLC高速指令控制器的研究

徐晓宇，田高华，刘秋生

（江西应用技术职业学院，江西 赣州 341000）

为了提高PLC在生产当中的执行效率，设计了关于FPGA和ARM组建的PLC高速指令控制器，充分利用FPGA高速的并行执行特性以及芯片特性，将ARM编译后用相应的指令完成对应的功能，ARM处理器与FPGA协同工作，完成整个PLC的指令过程，提高了指令的执行效率。

高速指令控制器；并行执行；协同工作；执行效率

目前，PLC主要用于工业控制，随着产业技术升级和复杂化，为了推动自动化发展走向智能化，PLC的执行效率和准确度都迫切需要提高，从而提升生产效率[1]。

1 总体设计

通过介绍分析PLC系统结构特点和电子系统设计模型，设计ARM和FPGA协同构建的PLC高速指令控制器，主要以FPGA构建的接口电路、输入输出指令模块、逻辑运算指令模块为研究重点，最终PLC高速指令控制器将PLC指令通过双口RAM存储器传送到输入输出模块和逻辑运算模块，并将执行之后的结果上传至双口RAM，返回至ARM处理器，以实现PLC指令的执行过程[2]。构建成一种基于FPGA的PLC指令控制器，设计的指令按照相应的时序和指令通信协议执行。

2 结构设计

设计的PLC高速指令控制器结构由ARM和FPGA两部分组成，根据PLC指令的执行要求，组件的系统结构分为指令传输部分和指令处理部分，通过结构进而分析指令的执行过程，结构如图1所示。指令由ARM发出，通过总线传输到FPGA，再经过PLC高速指令控制器将指令传输至各个执行电路，PLC高速指令控制器与双口RAM模块、逻辑运算电路、输入输出电路和定时计数器进行总线连接，并通过总线传输PLC指令数据和控制命令。

图1 FPGA构建PLC高速指令控制器的整体结构框图

图2 PLC高速指令控制器工作流程图

3 工作流程

通过分析各个模块电路的工作时序，根据双口RAM特点和PLC高速指令控制器的指令格式需求，需要完成PLC高速指令控制器与各个模块的数据交换，并实现对执行模块的时序控制。构建的PLC高速指令控制器起到承上启下的作用，具体包含指令高速传输、指令译码分析、指令的时序控制和数据传输等功能模块[3]，PLC高速指令控制器工作的流程如图2所示。工作流程如下：①程序执行开始，首先检测ARM的片选信号和写信号是否同时为低电平，如果是低电平，则通过边缘检测电路不断检测是否有中断INT0产生，否则返回开始阶段。PLC高速指令控制器的每一条指令都经过ARM至双口RAM，通过总线传输至高速指令控制器，最终到达各个执行模块。INT0作为中断信号来检测判断，触发相应的操作。②在A端口的片选信号和写信号的作用下，通过双口RAM的A端口写入数据，并且在B端口的片选信号和读信号的作用下，通过B端口读出数据，双口RAM中有一部分指令区，用于执行指令控制器控制输入采集、输出刷新、逻辑运算和定时计数等指令，当地址总线为12’h3f0时片选该指令区，这一类需要进行命令译码，否则，数据传递至双口RAM存储的其他区域。③在数据传送至双口RAM指令区之后，判断执行控制器的读信号线，低电平时读入数据至指令控制器。④指令到达指令端口控制电路，判断指令控制器的五位地址线，按照指令编译的规则，对模块地址的划分使指令的执行更加有序，地址判断作为各个模块的选中依据。⑤指令控制器选中相应模块之后执行对应操作，指令完毕后中断返回，数据通过数据总线首先返回至指令控制器，通过指令控制器的判断存储至双口RAM的相关存储单元中，指令过程完毕[4]。

4 总结

设计的PLC高速指令控制器基本实现了设计要求，能够通过串口监测PLC指令收发的准确性，本设计针对ARM与FPGA通信接口的设计实现了数据通信的基本功能需求，通信速率还可以进一步加快，进而加快指令执行的速度，最终初步使构建的PLC系统更加稳定、高效率地运行。

［1］秦魏，刘芹，周盼.PLC的发展及应用［J］.科技致富向导，2011，08（25），110.

［2］朱晓鹏.ARM+FPGA嵌入式系统设计及在测量仪器上的应用［D］.南京：江苏大学，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，刘彦波，等.基于ARM与FPGA的试验机控制器的设计［J］.工程与试验，2010（02）：59-61.

2095－6835（2019）02－0052－02

F724

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.052

徐晓宇（1988—），男，研究方向为控制理论与控制工程。

〔编辑：张思楠〕