基于SOPC技術(shù)的EPA現(xiàn)場控制器的設(shè)計 (1)2011-05-27 21:14:46來源:EEPW
　　引言

　　隨著以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)漸漸成為自動化控制系統(tǒng)里主流的高速率的通信方式，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為一個獨立發(fā)展的分支。EPA是我國第一個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、并被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織接收和采用的工業(yè)自動化標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是一種基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的，適用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動化儀器儀表相互間數(shù)據(jù)通信的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　大量的EPA現(xiàn)場設(shè)備都是通過加裝EPA通信卡來進(jìn)行通信，該通信卡的處理器多數(shù)采用ARM核。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的芯片設(shè)計方法正在進(jìn)行一場革命，其標(biāo)志就是系統(tǒng)芯片(SoC)被業(yè)界廣泛接受，并成為研究和開發(fā)的熱點。隨著SoC技術(shù)應(yīng)運而生的是SOPC 技術(shù)。它結(jié)合了SoC和FPGA的優(yōu)點，可裁減、可擴(kuò)充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)中可編程的功能。SOPC能夠提供更好的性能以及更低的功耗，有效節(jié)省電路板空間并降低產(chǎn)品的總成本，電子工業(yè)正逐漸向SOPC設(shè)計轉(zhuǎn)移，使SOPC成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的最佳選擇之一。在充分研究EPA網(wǎng)絡(luò)通信和SOPC技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種基于SOPC技術(shù)的EPA控制器。

　　SOPC技術(shù)

　　SOPC技術(shù)是美國Altera公司于2000年最早提出的，并同時推出了相應(yīng)的開發(fā)軟件Quartus II。SOPC是基于FPGA解決方案的SoC，與ASIC的SoC解決方案相比，SOPC系統(tǒng)及其開發(fā)技術(shù)具有更多的特色，并具備以下的基本特征:至少包含一個以上的嵌入式處理器IP核；具有小容量片內(nèi)高速RAM資源；豐富的IP核資源可供靈活選擇；有足夠的片上可編程邏輯資源；處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口共用或并存；可包含部分可編程模擬電路；單芯片、低功耗。

　　SOPC是一種新的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，也是一種新的軟硬件綜合設(shè)計技術(shù)。通過它，可以很快地將硬件系統(tǒng)(包括微處理器，存儲器，外設(shè)以及用戶邏輯電路等)和軟件設(shè)計都放在一個可編程的FPGA芯片中，以達(dá)到系統(tǒng)的IC設(shè)計。這種設(shè)計方式，具有開發(fā)周期短以及系統(tǒng)可修改等優(yōu)點。設(shè)計完成的SOPC可以通過HARDCOPY轉(zhuǎn)為ASIC芯片，從而可以實現(xiàn)快速量產(chǎn)。

　　EPA現(xiàn)場控制器設(shè)計

　　針對控制系統(tǒng)中連接管理網(wǎng)、控制網(wǎng)和現(xiàn)場設(shè)備單元的要求，采用SOPC技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)和自動控制技術(shù)，設(shè)計一種適用于EPA工業(yè)以太網(wǎng)的控制器，并在其可編輯軟核的CPU處理器上實現(xiàn)了實時操作系統(tǒng)及EPA通信協(xié)議棧。該EPA現(xiàn)場控制器可實現(xiàn)實時控制信息的輸入輸出，并對以太網(wǎng)上的其他的EPA設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、顯示和故障報警。本文將針對該EPA控制器的基于SOPC技術(shù)的CPU核心處理模塊和通信處理模塊分別進(jìn)行說明。

　　EPA現(xiàn)場控制器的硬件設(shè)計總體方案

　　圖1是EPA現(xiàn)場控制器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。整個設(shè)計中，硬件上實現(xiàn)EP1C12Q240C8芯片、LAN91C111芯片的外圍接口電路的設(shè)計；實現(xiàn)了串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計；實現(xiàn)了復(fù)位電路、JTAG、時鐘電路、電源電路的設(shè)計；實現(xiàn)了鍵盤電路、LCD顯示電路、蜂鳴器報警電路的設(shè)計；實現(xiàn)了HY57V641620芯片、AM29LV160芯片外圍電路的設(shè)計，拓展了豐富的存儲器資源，可移植linux、windows CE操作系統(tǒng)等；拓展了總線接口，可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際需要接入相應(yīng)的板卡(如DI/DO模塊、AI/AO模塊，實現(xiàn)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)之間的數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換、拓展MMC存儲卡，拓展其存儲容量等)。


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圖1基于FPGA的EPA控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　在設(shè)計時，考慮到由于該控制器的結(jié)構(gòu)、功能較為復(fù)雜，涉及到的器件種類較多。所以在設(shè)計時，將硬件板卡分為兩部分來做。第一部分：CPU核心處理模塊，包含CPU處理器EP1C12Q240C8、存儲器(FLASH、SDRAM)、電源部分、時鐘源、JTAG、EPCS下載口和復(fù)位電路。第二部分：通信處理模塊，包含網(wǎng)絡(luò)通信(LAN91C111網(wǎng)卡芯片和RJ45)、串口通信(MAX3232)、LCD接口、鍵盤接口和蜂鳴器。


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