基于FPGA硬件平台的高性能PLC系统研究

摘要

可编程逻辑控制器(PLC)作为现代自动化制造业中非常重要的控制设备，其性能的优劣直接影响工业控制自动化的水平。像我国这样制造业发展迅速的国家，PLC更是拥有着广阔的应用前景。但目前国内PLC市场被发达国家的生产厂商所占据，尤其在高性能PLC领域，国内的产品难以在竞争中立足。此外随着自动化控制要求越来越高，用户程序越来越复杂，现有PLC已无法满足工业控制系统的需求。因此在《“十二五”国家科技计划先进制造技术领域2013年度备选项目征集指南》中将高端PLC研发及应用列入了“系统控制”专项。其中开发高性能PLC系统成为目前工业控制领域研究的热点。本文围绕着如何构建高性能PLC系统进行研究并设计了基于FPGA硬件平台的高性能PLC系统。具体工作包括以下几个方面:　　1.在分析传统PLC系统基本结构和工作原理的基础上，提出了基于FPGA硬件平台PLC系统的总体设计方案。根据FPGA技术的特点，详细阐述了软硬件协同设计技术并对本设计的PLC系统进行了软硬件划分。　　2.设计了PLC上位机编译系统，主要包括编辑模块、编译模块和串口模块，其中重点对编译模块进行了研究。根据编译原理的知识，通过词法、语法、语义分析，最终生成中间代码，实现指令表语言的编译。　　3.对PLC下位机运行系统的硬件逻辑层进行设计。重点采用硬件逻辑描述语言对PLC系统的主要功能（如定时器、计数器等）进行设计，然后运用NiosⅡ软核中自定义指令技术将这些功能模块转化为CPU内部的一条单周期指令以提高处理速度。此外详细介绍了SOPC系统的定制过程。　　4.对PLC下位机运行系统的软件层进行设计，该部分通过NiosⅡ软核机制以及NiosⅡ IDE工具对应用程序进行开发。在软件设计时，重点对运行系统的循环扫描过程进行了分析，阐述了扫描循环的实现过程。　　5.论文最后通过实验来验证整体系统。实验结果显示，本课题设计开发的PLC系统除实现了传统PLC的控制功能之外，还具有运行速度快的优点，较好的实现了设计目的。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 PLC技术和FPGA技术综述

1．2．1 PLC技术综述

1．2．2 FPGA技术综述

1．3 基于FPGA技术的PLC系统研究现状

1．4 课题研究内容及创新点

1．5 论文的组织结构

第二章 基于FPGA硬件平台的PLC体系结构研究

2．1 传统PLC系统的总体结构及工作原理

2．2 基于FPGA硬件平台的PLC系统的设计

2．2．1 系统总体结构

2．2．2 编译系统结构分析

2．2．3 运行系统结构分析

2．3 SOPC技术和IP核

2．3．1 SOPC技术

2．3．2 IP核

2．4 基于SOPC技术的软硬件协同技术

2．4．1 软硬件协同设计概述

2．4．2 软硬件协同设计流程

2．4．3 基于FPGA硬件平台的PLC系统的软硬件划分

2．5 本章小结

第三章 上位机编译系统设计

3．1 IEC61161-3标准

3．2 编译系统总体设计

3．3 编辑模块的设计

3．4 编译模块的设计

3．4．1 指令定义

3．4．2 词法分析

3．4．3 语法分析

3．4．4 语义分析及目标代码生成

3．5 通讯模块设计

3．6 本章小结

第四章 下位机运行系统硬件设计

4．1 PLC硬件系统总体设计

4．2 自定义指令

4．2．1 自定义指令概述

4．2．2 VHDL硬件语言

4．2．3 输入输出模块设计

4．2．4 定时器模块设计

4．2．5 高速计数器模块设计

4．2．6 自定义指令封装

4．3 Nios Ⅱ软核处理器定制

4．3．1 Nios Ⅱ软核介绍

4．3．2 软核定制过程

4．4 硬件平台搭建实验

4．5 本章小结

第五章 下位机运行系统软件实现

5．1 运行系统的总体软件实现

5．2 扫描循环的实现

5．2．1 解释执行程序设计

5．2．2 输入输出模块的实现

5．3 串口模块

5．4 数据存储模块设计

5．5 本章小结

第六章 实验与测试

6．1 PLC系统实验平台

6．2 PLC系统运行测试

6．2．1 实验目的

6．2．2 控制测试与分析

6．2．3 性能测试与分析

6．3 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况