基于ARM+FPGA架构高性能PLC的研究与设计

摘要

可编程逻辑控制器(PLC)作为一种工业控制器，拥有结构简单、编程方便、性能优异和应用方便等特点，因此近年来针对PLC的开发与应用越来越广泛。其中，扩展总线是PLC主机同扩展模块之间的高速数据通路，其技术水平决定了PLC产品的扩展能力，是PLC设计制造的核心技术。而随着应用复杂度的提高，对PLC的实时性也提出了更高的要求。如一些工业应用需要过百乃至近千的I/O点数，过多的点数使得PLC的实时性下降，从而有可能产生许多稳定性问题。
　　本文根据PLC的功能需求，设计了一款基于ARM+FPGA架构的高性能PLC，为其搭配了一种具备硬件地址自动分配功能的高实时性扩展总线，同时为这款PLC开发了一个相匹配的梯形图编程系统。本文的工作主要包括以下几个方面:
　　1)研究了多种PLC的硬件体系架构，分析了不同体系架构的特点，提出了一种基于ARM+FPGA架构的高速易扩展PLC。
　　2)详细分析了PLC梯形图中存贮数据逻辑结构，采用基于多叉树的梯形图向指令表转换算法，提高了转换算法的遍历效率和通用性;使用C＃作为开发语言，设计开发了PLC梯形图编程系统，实现了PLC梯形图的编辑、编译和通信装载功能。
　　3)综合分析了各类PLC扩展总线的特点，提出了一种具备硬件地址自分配特性的高实时性扩展总线，确定了PLC硬件运行平台总体方案，设计了PLC主机模块、典型的IO模块、模拟量模块和通信模块;实验测试结果表明了方案可行性，以及系统扩展的方便、灵活性和实时、可靠性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状及发展

1．3 研究内容及章节安排

第2章 PLC体系结构研究

2．1 传统PLC系统的硬件架构

2．2 现阶段PLC硬件架构的研究

2．3 基于ARM+FPGA架构高性能PLC系统设计

2．3．1 硬件运行系统架构设计

2．3．2 软件编程系统架构设计

2．4 本章小结

第3章 PLC硬件运行平台总体方案

3．1 硬件运行系统功能分析及主控芯片选型

3．1．1 功能需求分析

3．1．2 ARM与FPGA芯片选型

3．2 工作流程及指令表解释方案

3．2．1 工作流程设计

3．2．2 指令表解释方案

3．3 ARM与FPGA通信方案设计

3．3．1 FSMC接口框架设计

3．3．2 FPGA驱动扩展总线方案

3．4 扩展模块设计

3．4．1 数字量模块

3．4．2 模拟量模块

3．4．3 通信模块

3．5 本章小结

第4章 PLC编程系统

4．1 PLC编程系统的标准及开发环境

4．1．2 编程系统开发环境

4．2 梯形图和指令表

4．3 梯形图图元及其存储设计

4．4 编辑模块的设计

4．4．1 梯形图的绘制与显示

4．4．2 梯形图的剪切、复制及粘贴

4．4．3 梯形图的保存和加载

4．5 编译模块的设计

4．5．1 多叉树

4．5．2 图元连接的建立及逻辑检查

4．5．3 基于多叉树的梯形图向指令表转换算法

4．5．4 梯形图编译实例

4．6 通信模块的设计

4．6．1 编程系统与PLC主机通信协议

4．6．2 通信模块的实现

4．7 本章小结

第5章 高速并行扩展总线

5．1 扩展总线原理及技术b匕较

5．1．1 扩展总线工作原理

5．1．2 扩展总线技术比较

5．2 物理层设计

5．2．1 电气特性和机械特性

5．2．2 功能特性

5．2．3 规程特性

5．3 扩展总线硬件地址自分配策略

5．3．1 扩展模块级联结构

5．3．2 地址自分配策略

5．4 扩展总线物理层协议的实现

5．5 实验与测试

5．5．1 编程系统功能测试

5．5．2 扩展总线级联实验

5．5．3 硬件平台运行实验

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果