基于SOPC技術(shù)的EPA現場(chǎng)控制器的設計

　　引言

　　隨著(zhù)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(dòng)化控制系統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(gè)獨立發(fā)展的分支。EPA是我國第一個(gè)擁有自主知識產(chǎn)權、并被國際標準化組織接收和采用的工業(yè)自動(dòng)化標準。該標準是一種基于以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、藍牙等信息網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的，適用于工業(yè)自動(dòng)化控制系統裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表相互間數據通信的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )通信標準。

　　大量的EPA現場(chǎng)設備都是通過(guò)加裝EPA通信卡來(lái)進(jìn)行通信，該通信卡的處理器多數采用ARM核。近年來(lái)，隨著(zhù)半導體技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統的芯片設計方法正在進(jìn)行一場(chǎng)革命，其標志就是系統芯片(SoC)被業(yè)界廣泛接受，并成為研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。隨著(zhù)SoC技術(shù)應運而生的是SOPC 技術(shù)。它結合了SoC和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統中可編程的功能。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設計轉移，使SOPC成為現代電子系統的最佳選擇之一。在充分研究EPA網(wǎng)絡(luò )通信和SOPC技術(shù)的基礎上，開(kāi)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(shí)推出了相應的開(kāi)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系統及其開(kāi)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(gè)以上的嵌入式處理器IP核；具有小容量片內高速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是一種新的系統設計技術(shù)，也是一種新的軟硬件綜合設計技術(shù)。通過(guò)它，可以很快地將硬件系統(包括微處理器，存儲器，外設以及用戶(hù)邏輯電路等)和軟件設計都放在一個(gè)可編程的FPGA芯片中，以達到系統的IC設計。這種設計方式，具有開(kāi)發(fā)周期短以及系統可修改等優(yōu)點(diǎn)。設計完成的SOPC可以通過(guò)HARDCOPY轉為ASIC芯片，從而可以實(shí)現快速量產(chǎn)。

　　EPA現場(chǎng)控制器設計

　　針對控制系統中連接管理網(wǎng)、控制網(wǎng)和現場(chǎng)設備單元的要求，采用SOPC技術(shù)、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，設計一種適用于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(shí)現了實(shí)時(shí)操作系統及EPA通信協(xié)議棧。該EPA現場(chǎng)控制器可實(shí)現實(shí)時(shí)控制信息的輸入輸出，并對以太網(wǎng)上的其他的EPA設備進(jìn)行監控、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(shuō)明。

　　EPA現場(chǎng)控制器的硬件設計總體方案

　　圖1是EPA現場(chǎng)控制器的硬件系統結構框圖。整個(gè)設計中，硬件上實(shí)現EP1C12Q240C8芯片、LAN91C111芯片的外圍接口電路的設計；實(shí)現了串口通信和網(wǎng)絡(luò )通信的設計；實(shí)現了復位電路、JTAG、時(shí)鐘電路、電源電路的設計；實(shí)現了鍵盤(pán)電路、LCD顯示電路、蜂鳴器報警電路的設計；實(shí)現了HY57V641620芯片、AM29LV160芯片外圍電路的設計，拓展了豐富的存儲器資源，可移植linux、windows CE操作系統等；拓展了總線(xiàn)接口，可以根據工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)際需要接入相應的板卡(如DI/DO模塊、AI/AO模塊，實(shí)現與現場(chǎng)數據之間的數模、模數轉換、拓展MMC存儲卡，拓展其存儲容量等)。

圖1基于FPGA的EPA控制器的硬件結構框圖

　　在設計時(shí)，考慮到由于該控制器的結構、功能較為復雜，涉及到的器件種類(lèi)較多。所以在設計時(shí)，將硬件板卡分為兩部分來(lái)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(shí)鐘源、JTAG、EPCS下載口和復位電路。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(pán)接口和蜂鳴器。