CN109901506B - 一种基于PCIe总线的可组态PLC - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PCIe总线的可组态PLC，包括：微控制器、FPGA、PHY芯片、存储器单元、数字量输入单元、数字量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元；PCIe总线的实现方式：通过连接器将PCIe总线连接至FPGA器件，采用FPGA实现的PCIe总线，一种点对点串行连接的设备连接方式；可在线组态功能的实现方式：采用无须外围存储器的单片Cortex‑4ARM加PHY芯片的架构方案实现逻辑功能在线组态，具备目前最通用的IEC61131‑3的五种语言编程编译解析执行，包括，梯形图、功能块图、顺序功能图、指令表和结构化文本。本发明具有高传输带宽、高传输可靠度、大数据量、高传输速率、数据传输安全和及时、功能多样化、成本低、可扩展、互联结构灵活可配置的特点。

Description

一种基于PCIe总线的可组态PLC

技术领域

本发明属于工业控制自动化领域，尤其涉及一种基于PCIe总线的可组态 PLC。

背景技术

在传统的工业控制领域，PLC的很多I/O数据都是基于硬接线来完成，换言之，数据采集和控制指令都是通过单独敷设的电缆和就地I/O控制单元相连接，采用这种方式存在的问题是：敷设的电缆多，造价高，工程实施强度大，而且I/O控制方式方式，灵活性较差,注重单一性能的提升，无法根据实际需求动态配置电路功能，通用性和可扩展性能较差。

随着技术的发展，现场总线和工业控制总线技术应用到PLC中，节省了大量的硬接线、变送器等其他硬件设备，目前所能实现的数据传输率大概是百兆，大多数采用共享总线方式，一旦总线上挂接的设备增多，每个设备的实际传输速率就会下降，性能得不到保证。另外，存在着网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析与综合变得更为复杂，是控制系统的性能受到负面影响。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种基于PCIe总线的可组态PLC，具有高传输带宽、高传输可靠度、大数据量、高传输速率、数据传输安全和及时、功能多样化、成本低、可扩展、互联结构灵活可配置的特点。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种基于PCIe总线的可组态PLC，包括：

微控制器、FPGA、PHY芯片、存储器单元、数字量输入单元、数字量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元；

所述FPGA设有PCIe接口、GPIO并口、SPI接口、IO接口，其中，所述 PCIe接口用于所述FPGA与所述PCIe总线的数据通信，所述GPIO并口用于所述FPGA与所述微控制器的数据通信，所述IO接口用于所述FPGA控制所述数字量输入单元、所述数字量输出单元，以实现数字量通信，所述SPI接口用于所述FPGA控制所述模拟量输入单元、所述模拟量输出单元，以实现模拟量通信；

所述微控制器设有MAC接口、外扩存储器接口，所述MAC接口与所述PHY 芯片电连接，用于所述PLC的在线组态和逻辑编程，所述外扩存储器接口与所述存储器单元电连接，用于数据存储；其中，

所述FPGA用于对所述PCIe总线的控制指令进行解析，获取PLC指令，并将所述PLC指令进行串并转换后发送至所述微控制器，同时，将所述PLC 的状态信息反馈至所述PCIe总线，以实现所述PLC与上位机之间的数据通信；

所述微控制器用于对所述PHY芯片接收的组态文件进行解析，形成所述 PLC的逻辑控制模式，并根据所述逻辑控制模式和所述PLC指令形成所述FPGA 的执行指令，所述FPGA还用于执行所述执行指令，以实现所述PLC的数据采集、数据处理、逻辑控制的功能。

根据本发明一实施例，还包括连接器，所述连接器分别和所述PCIe接口、所述数字量输入单元、所述数字量输出单元、所述模拟量输入单元和所述模拟量输出单元电连接，用于所述PLC的对外连接。

根据本发明一实施例，所述FPGA运行PCIe硬核IP实现所述PCIe接口的PCIe数据通信，所述PCIe接口包括TX差分线、RX差分线、时钟差分线、复位信号口和唤醒信号口。

根据本发明一实施例，所述FPGA设有缓存区，所述缓存区用于发送或接收的数据缓存。

根据本发明一实施例，所述SPI接口为多个所述IO接口模拟形成的模拟接口。

根据本发明一实施例，所述组态文件的形式包括梯形图、功能块图、顺序功能图、指令表和结构化文本。

根据本发明一实施例，所述数字量输入单元包括光电耦合器、逻辑芯片，所述光电耦合器的输出端设有阻容滤波电路，所述阻容滤波电路用于消除部分高频杂波，所述逻辑芯片用于将所述数字量的电平转换成所述FPGA的工作电平。

根据本发明一实施例，所述数字量输出单元采用功率开关。

根据本发明一实施例，所述模拟量输入单元包括A/D芯片，所述A/D芯片用于数据的模数转换。

根据本发明一实施例，所述模拟量输出单元包括D/A芯片，所述D/A芯片用于数据的数模转换。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1)本发明设置FPGA将PCIe接口、GPIO并口、SPI接口、IO接口，基于FPGA的PCIe接口实现PLC的PCIe总线连接，可在恶劣环境下和需高可靠性、高带宽要求的环境下，实现高传输带宽、高传输可靠度、大数据量、高传输速率、及时安全地数据传输的技术效果；

2)通过微控制器与PHY芯片，实现了可组态功能的嵌入，具备目前最通用的IEC61131-3的五种语言编程，包括，梯形图、功能块图、顺序功能图、指令表和结构化文本，PLC的逻辑控制模式有很多种逻辑控制模式，更改的途径不需要更改硬接线或底层软件固件，仅对该PLC进行在线组态，即可更改逻辑控制模式，解决了功能单一等劣势，具备低成本、高可靠性、可扩展、互联结构灵活可配置等技术效果；

3)通过FPGA的SPI接口和IO接口实现外部数字量输入单元和模拟量输入输出单元逻辑控制，可实现就地I/O控制采集，分配不同的I/O数量等，例如，PLC可以根据自身的模拟量输入单元采集的信号量，进行对应的模拟量输出单元逻辑控制，再例如，PLC可以根据自身的数字量输入单元采集的信号量，进行对应的数字量输出单元控制，达到功能多样化、功能可扩展的技术效果。

附图说明

图1为本发明的一种基于PCIe总线的可组态PLC的原理框图；

图2为本发明的一种基于PCIe总线的可组态PLC的组态接口示意图；

图3为本发明的一种基于PCIe总线的可组态PLC的PCIe总线数据通信过程图；

图4为本发明的一种基于PCIe总线的可组态PLC的在线组态过程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于PCIe总线的可组态PLC作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

参看图1，本实施例提供一种基于PCIe(Peripheral Component InterconnectExpress,外围设备互联总线总线)的可组态PLC，包括：

微控制器、FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)、 PHY芯片、存储器单元、数字量输入单元、数字量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元；

FPGA设有PCIe接口、GPIO并口、SPI接口、IO接口，其中，PCIe接口用于FPGA与PCIe总线的数据通信，GPIO并口用于FPGA与微控制器的数据通信，IO接口用于FPGA控制数字量输入单元、数字量输出单元，以实现数字量通信，SPI接口用于FPGA控制模拟量输入单元、模拟量输出单元，以实现模拟量通信；

微控制器设有MAC(Medium Access Control,媒体访问控制)接口、外扩存储器接口，MAC接口与PHY(Port Physical Layer,端口物理层)芯片电连接，用于PLC的在线组态和逻辑编程，外扩存储器接口与存储器单元电连接，用于数据存储；

其中，FPGA用于对PCIe总线的控制指令进行解析，获取PLC指令，并将PLC指令进行串并转换后发送至微控制器，同时，将PLC的状态信息反馈至PCIe总线，以实现PLC与上位机之间的数据通信；

微控制器用于对PHY芯片接收的组态文件进行解析，形成PLC的逻辑控制模式，并根据逻辑控制模式和PLC指令形成FPGA的执行指令，FPGA还用于执行执行指令，以实现PLC的数据采集、数据处理、逻辑控制的功能。

现结合图1至图4对本实施例进行详细说明：

本实施例可应用于工业控制自动化领域中的多机群控、多参数过控、多机通信、多数据处理，本实施例有效的实现PLC高速总线PCIe和在线组态功能，可以在应用在恶劣环境下高可靠性、高带宽要求的环境，具有传输带宽高、传输可靠度度、大数据量、传输速率高、数据传输的安全性和及时性等特点。PLC嵌入了可组态功能，外部数字量输入单元和模拟量输入输出单元逻辑控制。采用微控制器加PHY芯片架构方案实现逻辑功能在线组态，具备目前最通用的IEC61131-3的五种语言编程，包括，梯形图、功能块图、顺序功能图、指令表和结构化文本，解决了功能单一等劣势，设计出具备低成本、高可靠性、可扩展、互联结构灵活可配置等特点的PLC，可实现就地I/O控制采集，分配不同的I/O数量等，例如PLC可以根据自身的模拟量输入单元采集的信号量，进行对应的模拟量输出单元逻辑控制；PLC可以根据自身的数字量输入单元采集的信号量，进行对应的数字量输出单元控制。除以上以一种控制模式外，PLC的逻辑控制模式还可以有很多其他的逻辑控制模式，更改的途径不需要更改硬接线或底层软件固件，仅对该PLC进行在线组态，更改逻辑控制模式即可。正因为本实施例的PLC在数据传输和在线组态上的技术优势，本实施例应用在机器人、新能源电动汽车中：例如在生产流水线上的机器人分多道工序协同工作，数据量传输量大且复杂，同时也要具备功能可调整的能力，而本实施例可满足机器人之间的多机群控、在线组态、大数据传输等需求，解决上述问题；再例如新能源电动汽车中电气系统的安全稳定性是十分重要，各个电路之间的数据传递也是很频繁，同时电气系统的响应速度决定了汽车的安全问题，而本实施例可满足新能源电动汽车中的数据传输安全性、稳定性、及时性的技术需求，可解决上述问题。

参看图1，本实施例采用FPGA加微控制器的简单系统架构，实现PLC在线组态功能、逻辑功能重构和PCIe Gen 2通信总线。其中，本实施例包括 FPGA、微控制器、存储器单元、PHY、网口、数字量输出单元、数字量输入单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元。本实施例的微控制器采用Cortex-4 ARM，同样还可以其他微控制器，如STM32等。

较优地，FPGA运行PCIe硬核IP实现PCIe接口的PCIe数据通信，PCIe 接口包括TX差分线、RX差分线、时钟差分线、复位信号口和唤醒信号口。

较优地，FPGA设有缓存区，缓存区用于发送或接收的数据缓存。

较优地，SPI接口为多个IO接口模拟形成的模拟接口。

较优地，组态文件的形式包括梯形图、功能块图、顺序功能图、指令表和结构化文本。

实施例中，PLC通过PCIe通信方式与主监控设备实现数据通信，FPGA 可编程逻辑芯片运行PCIe核将接收的数据处理，并通过快速的内部并口总线快速传输至微控制器，另外PLC内部的FPGA将当前从外部获取的状态数据处理，PLC按照约定的PCIe数据格式发送至主监控设备；微控制器嵌入式系统软件运行RunTime内核解析PLC组态编程下载文件，解析以太网的报文数据得出在线逻辑功能重构指令，根据现有的逻辑功能重构要求，PLC获得PCIe 总线的数据进行数据处理，转换成FPGA可以识别并执行的数据消息，PLC采集控制内部的数字量输入单元、数字量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元。

参看图1，FPGA作为主要核心并行处理可编程逻辑器件单元，对外提供 PCIe接口、快速通用GPIO并口和多路模拟SPI接口。主要实现PCIe总线并将数据串转并、并转串，采用并口通信方式实现与微控制器快速传输数据、控制外部的数字量输入输出单元和模拟量输入输出单元功能。

参看图1，FPGA可编程逻辑器件提供多个IO接口，采用并口通信方式实现与微控制器快速双向传输数据，传输数据中包含来自主监控设备控制指令和PLC采集的当前状态信息，主监控设备为本实施例PLC的上位机。FPGA可编程逻辑器件软件模拟SPI总线工作过程，同步、高速控制模拟量单元内的数模转换芯片和模数转换芯片。FPGA可编程逻辑器件内的IO接口快速采集控制外部数字量单元，并将该数据处理发送至微控制器。

参看图2，本实施例的微控制器Cortex-4ARM提供接口专用MAC接口、快速通用GPIO并口和外扩存储接口，用于实现在线组态功能、与FPGA内部并口通信、外扩非掉电存储和实时IO控制逻辑。

较优地，存储器单元连接至微控制器专用外扩存储器接口，包括控制线、 16位地址线和8位数据线。存储器单元存储非掉电数据，记录当前的数字量输入单元、数字量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元和时间信息。

本实施的PCIe Gen 2通信总线通信功能：

参看图1，PLC的PCIe总线采用FPGA可编程逻辑器件实现，提供PCIe 接口，PCIe接口包括1对TX差分线、1对RX差分线、1对时钟差分线、必要的复位信号和唤醒信号，FPGA使用PCIe硬核IP实现PCIe总线数据通信。其中，将接收数据缓存至FPGA的缓存区，同时将缓存区PLC待发的数据以 PCIe方式发送至主监控设备。

参看图3，实施例中PCIe总线数据通信为：1)一种基于PCIe、可组态的PLC上电完成初始后处于工作状态；2)按照自定义的PCIe通信协议，开始接收发送PCIe数据报文，放入缓存区直至数据传输完成；3)接收主监控设备以PCIe方式发送过来的数据同时，FPGA同时发送缓存区中PLC的当前状态信息；4)PCIe总线是串行总线，FPGA解析PCIe报文包中数据信息，然后进行串转并处理，同时，FPGA将PLC当前状态信息并转串处理并打包处理放置缓存区内。

本实施例的在线组态功能：

参看图2，微控制器与PHY芯片以MII方式相连，可实现在线组态功能、逻辑编程。

参看图4，在线组态功能具体实现过程为：1)微控制器与PHY芯片上电后进入工作状态，将PLC组态文件编译成的特定二进制文件以TCP方式下载至微控制器内，其中，PLC组态文件以IEC61131-3中PLC支持的梯形图、功能块图、顺序功能图、指令表或者结构化文本编程而成；2)微控制器采用嵌入式实时系统，运行RunTime内核，将IEC61131-3程序解析、编译执行、在线PLC IO逻辑功能重构；3)微控制器与FPGA采用并口方式通信，微控制器作主，FPGA作从，微控制器发送时钟信号和使能控制信号，微控制器在每个时钟接收一个字节数据，同时发送处理完成的一个字节数据，接收数据完成后微控制器将接收自定义的并口数据通信格式处理；4)依据解析出在线重构的逻辑控制模式，结合主监控设备发送过来的PLC控制指令，为控制器对该 PLC控制指令处理成自定义格式，串转并转换完成以并口通信方式发送至 FPGA可编程逻辑器件进行采集控制。

较优地，本实施例还包括连接器，连接器分别和PCIe接口、数字量输入单元、数字量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元电连接，用于PLC 的对外连接。

较优地，数字量输入单元包括光电耦合器、逻辑芯片，光电耦合器的输出端设有阻容滤波电路，阻容滤波电路用于消除部分高频杂波，逻辑芯片用于将数字量的电平转换成FPGA的工作电平。较优地，数字量输出单元采用功率开关。

具体地，数字量输入单元采用单向低速光耦，光电耦合器输出端带有阻容滤波电路消除部分高频杂波，经过逻辑芯片进行电平转换后输入至FPGA 可编程逻辑控制器。数字量输出单元主要器件采用功率开关管实现。

较优地，模拟量输入单元包括A/D芯片，A/D芯片用于数据的模数转换。较优地，模拟量输出单元包括D/A芯片，D/A芯片用于数据的数模转换。

具体地，模拟量输入单元提供单通道模数转换，点点隔离模拟量输入采集控制。模拟量输入可采集电压或者电流模拟信号，采用TI公司A/D芯片，内置集成了运算放大处理电路，仅一颗芯片便实现了-10VDC～10VDC，-5VDC～ 5VDC，1VDC～5VDC，-20mA～20mA,4～20mA,0～20mA多种量程范围模拟信号输入采集。AD芯片模数转换完成后，以模拟SPI总线的方式传送至FPGA可编程逻辑单元。

具体地，模拟量输出单元提供集成单通道数模转换和运算放大处理电路的数模转换器件，点点隔离模拟输出信号控制，FPGA以SPI总线方式控制输出对应的电压或电流模拟信号。采用ADI公司D/A芯片，内置集成了运算放大处理电路，仅一颗芯片便实现了-10VDC～10VDC，-5VDC～5VDC，1VDC～5VDC， 4～20mA,0～20mA多种量程范围模拟信号输出。

通过本实施例，有效的实现PLC高速总线PCIe和在线组态功能，可以在应用在恶劣环境下高可靠性、高带宽要求的环境，具有传输带宽高、传输可靠度度、大数据量、传输速率高、数据传输的安全性和及时性等特点。PLC 嵌入了可组态功能，外部数字量输入单元和模拟量输入输出单元逻辑控制。采用单片Cortex-4ARM加PHY芯片架构方案实现逻辑功能在线组态，具备目前最通用的IEC61131-3的五种语言编程，包括，梯形图、功能块图、顺序功能图、指令表和结构化文本，解决了功能单一等劣势，设计出具备低成本、高可靠性、可扩展、互联结构灵活可配置等特点的PLC，可实现就地I/O控制采集，分配不同的I/O数量等，例如PLC可以根据自身的模拟量输入单元采集的信号量，进行对应的模拟量输出单元逻辑控制；PLC可以根据自身的数字量输入单元采集的信号量，进行对应的数字量输出单元控制。除以上以一种控制模式外，PLC的逻辑控制模式还可以有很多其他的逻辑控制模式，更改的途径不需要更改硬接线或底层软件固件，仅对该PLC进行在线组态，更改逻辑控制模式即可。

本实施例具有以下技术效果：

1)本实施例设置FPGA将PCIe接口、GPIO并口、SPI接口、IO接口，基于FPGA的PCIe接口实现PLC的PCIe总线连接，可在恶劣环境下和需高可靠性、高带宽要求的环境下，实现高传输带宽、高传输可靠度、大数据量、高传输速率、及时安全地数据传输的技术效果；

2)通过微控制器与PHY芯片，实现了可组态功能的嵌入，具备目前最通用的IEC61131-3的五种语言编程，包括，梯形图、功能块图、顺序功能图、指令表和结构化文本，PLC的逻辑控制模式有很多种逻辑控制模式，更改的途径不需要更改硬接线或底层软件固件，仅对该PLC进行在线组态，即可更改逻辑控制模式，解决了功能单一等劣势，具备低成本、高可靠性、可扩展、互联结构灵活可配置等技术效果；

3)通过FPGA的SPI接口和IO接口实现外部数字量输入单元和模拟量输入输出单元逻辑控制，可实现就地I/O控制采集，分配不同的I/O数量等，例如，PLC可以根据自身的模拟量输入单元采集的信号量，进行对应的模拟量输出单元逻辑控制，再例如，PLC可以根据自身的数字量输入单元采集的信号量，进行对应的数字量输出单元控制，达到功能多样化、功能可扩展的技术效果。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于PCIe总线的可组态PLC，其特征在于，包括：

微控制器、FPGA、PHY芯片、存储器单元、数字量输入单元、数字量输出单元、模拟量输入单元和模拟量输出单元；

所述FPGA设有PCIe接口、GPIO并口、SPI接口、IO接口，其中，所述PCIe接口用于所述FPGA与所述PCIe总线的数据通信，所述GPIO并口用于所述FPGA与所述微控制器的数据通信，所述IO接口用于所述FPGA控制所述数字量输入单元、所述数字量输出单元，以实现数字量通信，所述SPI接口用于所述FPGA控制所述模拟量输入单元、所述模拟量输出单元，以实现模拟量通信，所述SPI接口为多个所述IO接口模拟形成的模拟接口；

所述微控制器设有MAC接口、外扩存储器接口，所述MAC接口与所述PHY芯片电连接，用于所述PLC的在线组态和逻辑编程，所述外扩存储器接口与所述存储器单元电连接，用于数据存储；其中，

所述FPGA用于对所述PCIe总线的控制指令进行解析，获取PLC指令，并将所述PLC指令进行串并转换后发送至所述微控制器，同时，将所述PLC的状态信息反馈至所述PCIe总线，以实现所述PLC与上位机之间的数据通信；

所述微控制器用于对所述PHY芯片接收的组态文件进行解析，形成所述PLC的逻辑控制模式，并根据所述逻辑控制模式和所述PLC指令形成所述FPGA的执行指令，所述FPGA还用于执行所述执行指令，以实现所述PLC的数据采集、数据处理、逻辑控制的功能。

2.根据权利要求1所述的基于PCIe总线的可组态PLC，其特征在于，还包括连接器，所述连接器分别和所述PCIe接口、所述数字量输入单元、所述数字量输出单元、所述模拟量输入单元和所述模拟量输出单元电连接，用于所述PLC的对外连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于PCIe总线的可组态PLC，其特征在于，所述FPGA运行PCIe硬核IP实现所述PCIe接口的PCIe数据通信，所述PCIe接口包括TX差分线、RX差分线、时钟差分线、复位信号口和唤醒信号口。

4.根据权利要求3所述的基于PCIe总线的可组态PLC，其特征在于，所述FPGA设有缓存区，所述缓存区用于发送或接收的数据缓存。

5.根据权利要求3所述的基于PCIe总线的可组态PLC，其特征在于，所述组态文件的形式包括梯形图、功能块图、顺序功能图、指令表和结构化文本。

6.根据权利要求1或2所述的基于PCIe总线的可组态PLC，其特征在于，所述数字量输入单元包括光电耦合器、逻辑芯片，所述光电耦合器的输出端设有阻容滤波电路，所述阻容滤波电路用于消除部分高频杂波，所述逻辑芯片用于将所述数字量的电平转换成所述FPGA的工作电平。

7.根据权利要求6所述的基于PCIe总线的可组态PLC，其特征在于，所述数字量输出单元采用功率开关。

8.根据权利要求1或2所述的基于PCIe总线的可组态PLC，其特征在于，所述模拟量输入单元包括A/D芯片，所述A/D芯片用于数据的模数转换。

9.根据权利要求8所述的基于PCIe总线的可组态PLC，其特征在于，所述模拟量输出单元包括D/A芯片，所述D/A芯片用于数据的数模转换。

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