CN111273600A - 一种基于龙芯2k1000主处理芯片的plc模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块设计方法。包括整个设计方法的硬件和软件的架构和实现，阐述了一种高度国产化、完全自主研发的PLC模块的设计方法。该PLC模块产品可应用在适合于国防控制系统、医药生产控制系统、电力控制系统、工程机械控制系统等。

Description

一种基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块

技术领域

本发明控制系统技术领域，功能比较单一，性能可靠，是中小型机械控制系统和的核心控制单元，特别是电力、医药、国防和工程机械领域。

背景技术

PLC是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一。目前，龙芯2K1000主处理模块的PLC具有国产化程度高、自主可控性强、可靠性高、组网方便等特点，适合于国防控制系统、医药生产控制系统、电力控制系统、工程机械控制系统等，有着非常广泛的应用。

目前国内外已有的西门子和ARM系列的PLC模块，但在一些特殊应用环境下，通常国外产品垄断，核心代码不公开，售后服务不及时，bug多却不提供相关解决措施等等，在涉及国家核心安全领域，不能满足实际的使用的要求。

发明内容

本发明的目的在于寻求一种小型化、低功耗、适用于宽温环境的完全自主可控的国产PLC模块，完全可以替代国外同类产品。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块，包含龙芯2K1000处理器与DDR3内存颗粒、M2接口存储芯片、PHY芯片、CAN收发器、串口接口芯片互连。FPGA通过PCIe总线与龙芯2K1000处理器互连，为计算机模块提供了灵活可配、资源丰富的接口。

所述2K1000处理器与DDR3内存颗粒、M2接口存储芯片、PHY芯片、CAN收发器、串口接口芯片均位于PLC模块上。

一种基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块的电路结构上采用集成化设计。在保证模块可靠性的前提下，尽可能减小模块尺寸。

所述的CPU采用选用龙芯2K1000。龙芯2K1000处理器主要面向于网络应用，兼顾平板应用及工控领域应用。采用40nm工艺，片内集成2个GS264处理器核，主频 1GHz，64位DDR3控制器，以及各种系统IO接口。

龙芯2K1000处理器内部集成有1个64位/DDR2/DDR3内存控制器。考虑到主板遵循COM-E规范，板卡尺寸较小，所述的内存模块采用板载内存颗粒的方式进行扩展。通过处理器集成的控制器连接到各个颗粒，每个控制器连接4片500MB的DDR3 16位的DDR3内存颗粒，共计4片，总容量2GB。

所述的FPGA采用XILINX公司的Kintex-7系列XC7K325T芯片,用于可编程逻辑开发。

所述的1553总线协议为DDC公司的BU-61580，通过与FPGA互联提供2路1553B 总线接口，互相冗余。

所述的CAN收发器PCA82C250芯片，通过与龙芯2K1000处理器互联输出2路CAN2.0接口。

所述的转换芯片是Analog Device的ADV7125KSTZ140(工业级140MSPS，商业级最大可到330MSPS)，通过与与龙芯2K1000处理器互联输出36路GPIO。

所述的显示输出SN65LVDS93A芯片通过与龙芯2K1000处理器的DVO接口互联输出LVDS。

所述的上电时序控制芯片是一颗单片机ATMEGA128A-MU，用于上电时序控制，Reset控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块实现，具有自主可控、安全可靠、集成度高等特点；2)本发明的模块采用龙芯2K1000处理器，提供了丰富的配置灵活的接口；3)本发明的模块通过集成化设计，便于可靠性设计，使得模块能够适应多种行业的恶劣环境。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块原理框图。

图2为ADV7125KSTZ140内部框图（FPGA设计电路功能框图）。

图3为SN65LVDS93A原理框图。

图4为KSZ9031RNX芯片原理结构框图。

图5为基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块工作电压转换电路图。

具体实施方式

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块，基于龙芯2K1000处理器，对外使用SPI总线连接BIOS芯片。CPU对外引出USB2.0接口、SDIO接口、RGMII网络接口、CAN2.0接口、DVO显示接口等。通过PCIE桥片或在 FPGA中使用PCIE转Local Bus IP核的方式连接FPGA，通过FPGA扩展系统所需的1553B、 GPIO接口。该模块采用插入式接触，使用螺钉加固安装，具有高抗震动、抗冲击。

本PLC模块采用5V输入，为实现板卡功能需要转换其他电压为板卡上的芯片供电。处理器采用龙芯中科双核核CPU芯片2K1000，集成两个GS264处理器核,主频1GHz，功耗5W。该芯片集成了丰富的功能模块，可直接用于扩展USB接口、SATA接口、UART接口、10/100/1000M以太网接口、CAN接口。

BIOS(基本输入输出系统)在整个系统中的地位是非常重要的，它是硬件层和操作系统层的桥梁，本设计FLASH采用16MB SPI闪存。

本板采用XILINX公司的Kintex-7系列XC7K325T芯片,用于可编程逻辑开发。该系列FPGA采用高性能、低功耗(HPL)28nm工艺制造而成，可提供大批量10G光学有线通信设备等各种应用所需的高性能10.3Gbps或低成本优化的6.5Gbps串行连接器、存储器和逻辑性能。而且还实现了信号处理性能、功耗和成本的最佳平衡，能支持长期LTE 无线网络部署。

该FPGA实现Microblaze硬件平台的搭建，实现对61580控制，读出相关的1553B 报文，将相关的控制和数据按照特定的格式存储在双口RAM，或者从双口中读出相关的控制和数据，实现对61580的控制；通过FPGA引出可编程控制的IO接口，通过电平转换芯片，实现60路GPIO接口功能，如图2所示。

主板的处理器选用龙芯2K1000。龙芯2K1000处理器主要面向于网络应用，兼顾平板应用及工控领域应用。采用40nm工艺，片内集成2个GS264处理器核，主频1GHz， 64位DDR3控制器，以及各种系统IO接口。

龙芯2K1000处理器内部集成有1个64位/DDR2/DDR3内存控制器。考虑到主板遵循COME规范，板卡尺寸较小，因此主板的内存模块采用板载内存颗粒的方式进行扩展。通过处理器集成的控制器连接到各个颗粒，每个控制器连接4片4Gb的DDR3 16位的DDR3 内存颗粒，共计4片，总容量2GB，后续如果有需要，可以将内存颗粒更换为8Gb，这样总容量可以扩大至4GB。

由于龙芯2K1000没有集成VGA接口，需要通过DVO来转接。我们这里选用的是Analog Device的ADV7125KSTZ140(工业级140MSPS，商业级最大可到330MSPS)。 ADV7125是一款单芯片、三通道、高速数模转换器，内置三个高速、8位、带互补输出的视频DAC、一个标准TTL输入接口以及一个高阻抗、模拟输出电流源。它具有三个独立的8位宽输入端口。只需一个+5V/+3.3V单电源和时钟便能工作。ADV7125还具有其他视频控制信号：复合SYNC和BLANK；以及省电模式。这款产品还有国产PIN 脚兼容的芯片，方便后续进行国产化转化。

ADV7125采用5V CMOS工艺制造，单芯片CMOS架构可确保以较低功耗提供更多功能。ADV7125KSTZ140内部框图如图2，相对而言，这颗单芯片的DVO转VGA 方案应用比较简单。按照参考设计就可以。需要注意的是，这款芯片没有集成对显示器的DDC(I2C)读取，原理图需要将VGA接口的DDC信号直接连接到2K1000的I2C引脚。因2K1000没有专用的VGA DDC控制器，而且仅有2个专用的SMBUS(I2C)控制器，因此我们这里直接连接到了2K1000的GPIO0和GPIO1，用GPIO模拟I2C。由固件和内核读取外接显示器的DDC信息，然后通过DVO接口改变分辨率。

龙芯2K1000也没有集成LVDS驱动器，同样需要通过另外一路DVO来转换。我们选用的是TI的SN65LVDS93A。SN65LVDS93A发送器在单个集成电路上包含了四个7 位并联负载串行输出移位寄存器、一个7X时钟合成器以及五个低压差分信号(LVDS) 线路驱动器。凭借这些功能，该器件可通过5条平衡双股线同步发送28位单端低电压晶体管-晶体管逻辑(LVTTL)数据，这些数据将由具有集成LVDS接收器的LCD面板等兼容接收器来接收。

发送数据时，数据位D0至D27会在输入时钟信号(CLKIN)边沿逐个载入寄存器。可通过时钟选择(CLKSEL)引脚来选择时钟的上升沿或下降沿。CLKIN的频率会进行7倍倍频，然后用于以串行方式分7位时间片上传数据寄存器。接着会将4个串行数据流和锁相时钟(CLKOUT)输出至LVDS输出驱动器。CLKOUT的频率与输入时钟(CLKIN)相同。

SN65LVDS93A无需外部元件或者很少，而且也无需控制。发送器输入端的数据总线与接收器输出端的相同，数据传输对于用户而言是透明的。用户唯一能够干预的是选择时钟上升沿(向CLKSEL输入高电平)或下降沿(向CLKSEL输入低电平)，以及能够使用关断/清零(SHTDN)引脚。SHTDN是一个低电平有效输入，可禁用时钟并关断LVDS输出驱动器，从而降低功耗。该信号为低电平时，可将所有内部寄存器置为低电平。

SN65LVDS93A内部原理框图如下4所示，同样这款芯片没有集成DDC转换，需要2K1000通过GPIO模拟I2C来调整LCD屏幕的分辨率。当屏幕固定时，可以在固件或者内核里面将分辨率固化。

此主板上仅需要一个千兆网络，因此只使用了GMAC0，选用的RGMIIPHY型号是Microchip/Micrel的KSZ9031RNX。这是一款工业级的单芯片PHY。支持 10M/100M/1000M的自动协商；可配置的LED引脚用于只是LINK/ACTIVE和不同的速率。KSZ9031RNX芯片原理结构框图如图4所示，主板上只留有PHY芯片，网络变压器及接口部分由底板提供。

由于龙芯2K1000对上电时序有严格要求，如果由硬件外搭电路来实现比较麻烦，而且占主板空间比较大，并且不大好调整。因此引入了一颗单片机 ATMEGA128A-MU，用于上电时序控制，Reset控制；同时可以挂载在CPU的I2C上当从设备，CPU可以通过I2C访问EC，这样可以将MAC地址等信息烧录在EC芯片里面，而不需要其他额外的EEPROM；同时可以将部分简单加密的信息存放于EC。

此主板工作电源如下表1所示,主板总共功耗约9W，考虑到电源转换效率，极端情况整板功耗最大可达15W。

表1基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块工作电源

此功能主板上工作电压通过COM-E连接器引入5V工作电压，再通过电源转换芯片实现电压的转换，具体转换电路图如图5所示。

本发明的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块采用龙芯2K1000主处理芯片为主处理芯片，具有国产化程度高、自主可控性强、可靠性高、组网方便等特点。

Claims (8)

1.一种基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于，包括龙芯2K1000处理器以及与其互连的内存模块、通过SPI总线连接的BIOS芯片、通过PCIE桥片连接FPGA，通过FPGA连接Bu-61580输入输出两路1553B和12路GPIO、选用的FPGA采用XILINX公司的Kintex-7系列XC7K325T芯片,用于可编程逻辑开发、通过CAN收发器PCA82C250芯片输出2路CAN2.0接口、通过电平转换芯片输出36路GPIO。

2.根据权利要求1所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于，所述功能主板采用龙芯2K1000嵌入式处理器，双核、主频1GHz，内置1M二级缓存，对外引出USB2.0接口、SDIO接口、RGMII网络接口、CAN2.0接口、DVO接口等。

3.根据权利要求1所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于BIOS电路设计FLASH采用16MB SPI闪存。

4.根据权利要求1所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于通过PCIE桥片连接FPGA，实现对61580的控制，读出相关1553B报文。

5.根据权利要求4所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于选用的FPGA采用XILINX公司的Kintex-7系列XC7K325T芯片,用于可编程逻辑开发。

6.根据权利要求4所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于采用的1553总线协议为DDC公司的BU-61580。

7.根据权利要求1所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于用通过CAN收发器PCA82C250芯片输出2路CAN2.0接口。

8.根据权利要求1所述的基于龙芯2K1000主处理芯片的PLC模块其特征在于通过电平转换芯片输出36路GPIO。

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