CN205003526U - 一种基于sopc技术的plc协同控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于SOPC技术的PLC协同控制装置，该装置包括硬件系统和软件系统两部分；硬件系统包括上位机和下位机，下位机由Nios？II软核处理器模块、存储器模块和外围模块组成，其中Nios？II软核处理器模块由CPU模块、TIMER0模块、TIMER1模块、UART模块和JTAG模块组成，软件系统包括嵌入式uC/OS-II实时操作系统、上位机软件、下位机软件和虚拟软核PLC；本实用新型具有很强的可修改性和可移植性；由于添加了uC/OS-II实时操作系统保证了系统运行的实时性，并且能够根据特定的需要编写自定义IP核，自由添加所需要的特定功能，同时方便的增加或减少I/O端口的数量，使系统更具可拓展和维护性。

Description

一种基于SOPC技术的PLC协同控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种工控可编程逻辑嵌入式软核PLC装置，尤其涉及一种基于SOPC技术的协同PLC实现工业自动化控制的装置。

背景技术

由于传统硬件PLC技术对外封闭，各个生产厂商的PLC硬件平台各不相同，支持的PLC语言也不相同，而且相互之间通信的协议和总线也完全不同。因此，随着计算机技术的发展，人们已经逐渐认识到硬件PLC的通用性、兼容性和拓展性不好正在制约着PLC的快速发展。同时，随着卷烟工业新一轮的技改，大量新型烟草制丝设备从德国HAUNI、意大利Garbuio等国外烟机设备公司引进，设备厂家对于关键设备的PLC程序采取了技术封锁甚至加密等手段。因此，对于烟机功能改进，需要寻求一种新的解决方案来突破传统PLC内部程序封锁以及外部通用性、兼容性差等问题。

过去，逻辑控制器系统的开发多基于ASIC设计的硬件平台，而近年来出现的可编程片上系统(SOPC)解决方案得到了业界广泛的重视并迅速发展。SOPC不仅仅使PCB设计更为简单，而且设计更灵活，开发更高效。它的特点在于其可编程性，即利用现场可编程门阵列(FPGA)器件的可编程性进行SOC(systemonchip)设计。SOPCBuilder为每一个元件提供一个向导，利用该向导很容易定制元件功能，且通过该向导能够非常方便地在一个设计中加入NiosII软核处理器、外设接口等。为了将微处理器核、外围设备、存储器和其它IP核相互连接起来，SOPCBuilder能够自动生成片上总线和总线仲裁器等所需的逻辑。SOPCBuilder在一个工具中实现了嵌入式系统各个方面的开发，包括软件的设计和验证，因此运用SOPC技术可以在FPGA上便捷、快速定制各种复杂逻辑控制，并将传统PLC中逻辑移植或转移到FPGA器件上实现。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于SOPC技术的PLC协同控制装置。将基于SOPC技术的FPGA作为虚拟PLC来协助传统硬件PLC完成自动化控制，解决传统PLC单一控制的缺点，通过SOPC定制各种功能与传统PLC实时通讯达到双核协同时控制同一设备的目的。

为了实现上述的目的，本实用新型采用了以下的技术方案：

一种基于SOPC技术的PLC协同控制装置，该装置包括硬件系统和软件系统两部分；所述的硬件系统包括上位机和下位机，所述的上位机运行在PC机上，完成编写PLC程序以及编译成目标代码以及代码传输工作；所述的下位机使用AlteraFPGA(EP2c35F672c6)NiosII嵌入式软处理器为硬件平台，与上位机之间通过RS232协议进行通信；所述的下位机由NiosII软核处理器模块、存储器模块和外围模块组成，其中NiosII软核处理器模块由CPU模块、TIMER0模块、TIMER1模块、UART模块和JTAG模块组成，对FPGA配置时，通过SOPCBuilder系统综合软件设定NiosII软核参数，并设置TIMER0模块、TIMER1模块、UART模块和JTAG模块相关参数，自动分配各模块基地址和指定NiosII处理器的复位地址与异常中断地址，生成相应的NiosII系统，UART模块通过使用RS232协议可实现上位机与FPGA的传输以及PLC梯图文件的串口通信，JTAG模块通过转换电路将RS232协议转换成RS485协议，再通过CP341卡实现与PLC通讯。

作为优选，所述的CPU模块选用基于RISC技术的32位嵌入式处理器NiosII模块。

作为优选，所述的存储器模块选用掉电数据不丢失的FLASH存储器。

作为优选，所述的外围模块包括一个LCD字符型液晶显示屏、4个LED灯、两个开关。LCD用来显示PLC虚拟机的运行状态，而LED与两个开关则用来实现PLC的功能。

作为优选，所述的嵌入式uC/OS-II实时操作系统是一种基于优先级的可抢先硬实时内核。

本实用新型由于选用NiosII软核处理器模块为核心并利用SOPC技术进行构建，具有很强的可修改性和可移植性；由于添加了uC/OS-II实时操作系统保证了系统运行的实时性，并且能够根据特定的需要编写自定义IP核，自由添加所需要的特定功能，同时方便的增加或减少I/O端口的数量，使系统更具可拓展和维护性；又由于FPGA具有较高的密度，能够集成很大的系统，因此又增加了系统的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型协同PLC控制示意图。

图3为本实用新型系统结构示意图。

图4为本实用新型硬件组成示意图。

图5为本实用新型软件组成示意图。

图6为本实用新型虚拟软核PLC任务调度示意图。

图7为本实用新型虚拟软核PLC运行时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做一个详细的说明。

如图1，基于SOPC技术的PLC协同控制装置包括硬件系统1和软件系统2两部分；所述的硬件系统1包括上位机3和下位机4；所述的下位机4由NiosII软核处理器模块5、存储器模块6和外围模块7组成，其中NiosII软核处理器模块5由CPU模块8、TIMER0模块9、TIMER1模块10、UART模块11、JTAG模块12组成；所述的软件系统2包括嵌入式uC/OS-II实时操作系统13、上位机软件14、下位机软件15、虚拟软核PLC16。

如图2，所述的基于SOPC技术的PLC协同控制装置就是在不改变原有PLC程序、硬件接线前提下，通过现场总线访问PLC内部资源，并将自身控制逻辑运算结果再次通过现场总线传回PLC，最终实现双核协同控制。

如图3，所述的上位机3运行在PC机上，完成编写PLC程序以及编译成目标代码以及代码传输等工作。

所述的下位机4使用AlteraFPGA(EP2c35F672c6)NiosII嵌入式软处理器为硬件平台，与上位机3之间通过RS232协议进行通信。

如图4，所述的CPU模块8选用基于RISC技术的32位嵌入式处理器NiosII模块5。对FPGA配置时，通过SOPCBuilder系统综合软件设定NiosII软核参数，在常用外围设备及接口组件中选择TIMER0(计时器)模块9、TIMER1(定时器)模块10、UART模块11、JTAG模块12以及UART(RS-232)等模块，并设置相关参数，自动分配各模块基地址和指定NiosII处理器的复位地址与异常中断地址，生成相应的NiosII系统。UART接口通过使用RS232协议可实现PC机与FPGA的传输以及PLC梯图文件的串口通信等功能。JTAG12接口通过转换电路将RS232协议转换成RS485协议，再通过CP341卡实现与PLC通讯。基于SOPC技术的优势将很多资源集中在FPGA中，使系统的扩展与升级更加容易，只需在FPGA中添加相应功能的模块即可。对于自定义外设，可以通过VHDL硬件语言编写IP核，在SOPCBuilder中添加这个自定义组件，并通过标准Avalon总线连接。

所述的存储器模块6选用掉电数据不丢失的FLASH存储器来存储应用程序及要保存的数据参数；选用读写速度较高的SDRAM存储器来给uC/OS-II操作系统和应用程序提供运行空间并缓存中间处理数据。

所述的外围模块7包括一个LCD字符型液晶显示屏、4个LED灯、两个开关。LCD用来显示PLC虚拟机的运行状态，而LED与两个开关则用来实现PLC的功能。

如图5，所述的嵌入式uC/OS-II实时操作系统是一种基于优先级的可抢先硬实时内核。Altera公司提供的实时操作系统uC/OS-II，其作为NiosII系统的一部分，在硬件系统创建完成之后，开展一个基于NiosII处理器的MicroC/OS-II软件设计过程，并使用IDE对所有的RTOS模块进行配置。具体操作可以通过单击MicroC/OS-II下配置选项，为每一个选项检查所能选择的选项进行设置，例如最大任务、计时器功能、时间戳功能、消息邮箱等。

所述的上位机程序在PC机上执行，主要负责编译PLC梯形图并传输梯形图文件。通常在工控系统中可以通过使用总线、TCP/IP、串口传输等协议完成上位机与下位机(PLC虚拟机)的通讯。本设计采用VC++6.0MFC添加一个对话框到上位机的PLC编译系统应用程序中，通过添加MSComm控件以RS232通讯协议为基础，实现传输PLC文件给PLC虚拟机执行的功能。

所述的下位机设计通过设计NiosIIIDE完成。下载硬件设计中QuartusII最终生成配置文件到FPGA中，而后可以在NiosIIIDE下建立工程，编辑调试下位机程序。在新建的工程中，NiosIIIDE会根据SOPCBuilder对应系统配置自动生成一个定制的硬件抽象层(hardwareabstractionlayer，HAL)系统库，为程序和底层硬件的通信提供接口驱动程序，同时还提供一个可移植的uC/OS-II的实时操作系统环境，如此能够使编写的应用程序具有实时性，而uC/OS-II中也可直接调用HALAPI函数，如此就很方便使用C/C++语言设计程序。

所述的虚拟软核PLC是模拟实际计算机进行工作的软件系统，同真实计算机一样，它拥有自己的中央处理器、指令系统、存储器组织、输入输出等，可以接受指令系统的指令，完成计算或数据处理等任务。虚拟软核PLC是完成PLC程序代码解释、执行机制的核心部分。其主要负责接受上位机发送的类PLC逻辑程序命令，控制任务解释器的执行。由于虚拟软核PLC运行在uC/OS-II占先式内核实时系统中，任务解释器在PLC虚拟机中循环取得代码指令并执行相应的操作，实现PLC程序对外部设备的控制功能。针对工控PLC控制系统实时性的要求，将虚拟软核PLC顺序程序分为快逻辑任务和慢逻辑任务两部分，快逻辑仅仅用来负责短脉冲信号，这些信号主要包括急停、复位、外部减速和给迸暂停等，而慢逻辑则只处理一般信号。两个逻辑任务的管理和调度通过uC/OS-II实时系统内核完成。其中快逻辑程序每8毫秒执行一次，因而快逻辑程序应尽可能短。分割慢逻辑程序时为执行快逻辑程序，其中当分割数为n时，一个循环的执行时间为8n毫秒。由于两者的执行周期不同，而执行顺序逻辑程序过程中要保证输入输出缓存区的数据一致，因此可以分别为快逻辑和慢逻辑建立单独的逻辑队列缓存区。

如图6，运行系统的逻辑任务调度通过定义一个全局数组方式进行数据通信。调用计时器记录执行一次扫描的开始时间和结束时间，每当执行时间间隔为8ms，唤醒uC/OS-II实时系统的定时中断函数，调用内核级任务调度器，进行下一次快逻辑扫描，同时保存慢逻辑数据于慢逻辑缓存区中。由于uC/OS-II任务调度的时间取决于系统的时钟节拍，与应用程序中的任务无关，所以能够保证任务的实时性。

如图7，所述的虚拟软核PLC的工作方式与传统的软PLC基本相同，即通过打开UART串口，读入PLC执行文件，存入指定内存模块中，用户加载PLC逻辑目标代码之后，通过Task_routine()线程函数读取目标代码信息、分配系统资源并初始化相应变量，然后通过refresh_routine()线程函数读取相应配置信息，周期性的顺序扫描逻辑任务并执行基本逻辑指令与功能指令。uC/OS-II通过使用内核OSTimeDlyHMSM()延迟函数循环交替执行这两个线程，保证每个线程的执行周期。PLC虚拟机系统在每个扫描周期中，通过硬件抽象层，读入外部I/O设备寄存器的状态，然后调用refresh_routine()线程中的RefreshIO()函数，更新硬件抽象层中与该寄存器相对应的变量区的状态，最后通过硬件抽象层(HAL)提供的标准接口将系统内部的逻辑运行结果更新到外部开关设备。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本实用新型专利的涵盖范围。本实用新型的使用范围不仅局限于烟草工业控制，可拓展其他功能应用于更复杂的工业控制领域。在非精密控制领域，也可以将本实用新型独立作为PLC使用。

Claims (4)

1.一种基于SOPC技术的PLC协同控制装置，其特征在于：该装置包括上位机（3）和下位机（4），所述的上位机（3）运行在PC机上，完成编写PLC程序以及编译成目标代码以及代码传输工作；所述的下位机（4）使用AlteraFPGA(EP2c35F672c6)NiosII嵌入式软处理器为硬件平台，与上位机（3）之间通过RS232协议进行通信；所述的下位机（4）由NiosII软核处理器模块（5）、存储器模块（6）和外围模块（7）组成，其中NiosII软核处理器模块（5）由CPU模块（8）、TIMER0模块（9）、TIMER1模块（10）、UART模块（11）和JTAG模块（12）组成，对FPGA配置时，通过SOPCBuilder系统综合软件设定NiosII软核参数，并设置TIMER0模块（9）、TIMER1模块（10）、UART模块（11）和JTAG模块（12）相关参数，自动分配各模块基地址和指定NiosII处理器的复位地址与异常中断地址，生成相应的NiosII系统，UART模块（11）通过使用RS232协议可实现上位机（3）与FPGA的传输以及PLC梯图文件的串口通信，JTAG模块（12）通过转换电路将RS232协议转换成RS485协议，再通过CP341卡实现与PLC通讯。

2.根据权利要求1所述的一种基于SOPC技术的PLC协同控制装置，其特征在于，CPU模块（8）选用基于RISC技术的32位嵌入式处理器NiosII模块（5）。

3.根据权利要求1所述的一种基于SOPC技术的PLC协同控制装置，其特征在于，存储器模块（6）选用掉电数据不丢失的FLASH存储器。

4.根据权利要求1所述的一种基于SOPC技术的PLC协同控制装置，其特征在于，外围模块（7）包括一个LCD字符型液晶显示屏、4个LED灯、两个开关，LCD用来显示PLC虚拟机的运行状态，而LED与两个开关则用来实现PLC的功能。