基于ARM7与FPGA组成的可编程控制器
3.3 输入输出模块的扩展
可编程控制器输入输出模块主要有数字量和模拟量输入输出。模拟量的输入输出即A/D、D/A是对象过程参数和PLC主机之间的接口。对象过程参数经过传感器转换成标准的电量后，经过A/D转换器进入PLC主机中；PLC主机经过D/A数模转换把数字量转换成模拟量输出。由于S3C44B0X微处理器内部带有了8路10位的A/D转换器，在一些要求不是很高的控制领域，该转换器可以满足要求，因此不需扩展。S3C44B0X内部没有D/A转换器，所以采用的D/A转换器为MAX5741进行扩展，该转换器是4路10位，使用SPI接口进行扩展，其与微处理器的连接原理图如图6：
图6 D/A转换器的扩展
3.4 CAN总线扩展
系统使用CAN现场总线在各个模块之间交换数据、通信，如：用户使用手持编程器或PC机编写梯形图或指令表程序后，通过CAN总线把程序传输到PLC主机中。由于微处理器S3C44B0X本身没集成CAN控制器，需要单独扩展CAN控制器，采用的CAN控制器为MCP2510，收发器为PCA82C250。MCP2510工作电压为3.3V，能够直接与S3C44B0X微处理器I/O口相连。为进一步提高系统抗干扰性，可在CAN控制器和收发器之间加光耦隔离6N137，原理图如图7：
图7 CAN总线的扩展
4 程序设计及执行过程
程序设计一个关键技术是编写梯形图或指令表程序的解释程序。根据指令的逻辑关系，分别给每条指令编写其对应的子程序，当CPU扫描到某条指令的编码时，就调用其子程序，进行逻辑运算，并把结果送到映像寄存器中。
程序执行过程分为三个阶段：输入处理阶段、程序执行阶段、输出处理阶段。如图8所示。系统上电后，完成堆栈、存储器、中断等的初始化；把D数据寄存器值、部分M特殊辅助寄存器值等一些需要掉电保持的数据，从EEPROM拷贝到SDRAM指定的地址中；把用户编写的梯形图或指令表程序从Nor Flash拷贝到SDRAM中以便提高系统的运行速度。最后系统才真正开始扫描用户编写的梯形图或指令表程序。
图8 程序执行过程
在输入处理阶段，CPU读取所有输入端子的状态，并把这些状态内容保存在输入映像寄存器中；在程序执行阶段，CPU根据输入状态的信息，从梯形图或指令表程序的第一步开始执行，当CPU扫描到有关智能控制模块时，把智能控制模块的一些设置值、参数送到FPGA中， FPGA在主机扫描程序的同时，并行处理智能控制算法，并不断的把运算的结果送到控制参数存储器中；在输出处理阶段，把输出映像寄存器中的内容送到输出锁存寄存器中，使输出端口电平发生变化，执行机构动作驱动要控制的对象，最后把指针指向程序的第一步，使程序周而复始的工作，直到收到停止工作信号为止。
5 结论
本文创新点：基于CAN现场总线、嵌入式微处理器S3C44B0X+FPGA设计的可编程控制器，采用了32位集成度高的嵌入式微处理器S3C44B0X为核心，简化了电路的设计，提高了系统的可靠性及运行速度；通过FPGA配置I/O口，解决了众多芯片I/O口不足的问题，满足了工业控制领域的需求。同时在FPGA中实现的智能控制算法作为功能模块嵌入PLC梯形图程序中，主机执行程序的同时，FPGA也在并行完成智能控制算法的运算，即不影响系统执行的速度，又解决了传统小型PLC不能嵌入智能算法的问题。
参考文献
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