基于SOPC技術(shù)的EPA現(xiàn)場(chǎng)控制器的設(shè)計(jì)

　　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(dòng)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(gè)獨(dú)立發(fā)展的分支。EPA是我國(guó)第一個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、并被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織接收和采用的工業(yè)自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是一種基于以太網(wǎng)、無(wú)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(dòng)化控制系統(tǒng)裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動(dòng)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(chǎng)設(shè)備都是通過加裝EPA通信卡來(lái)進(jìn)行通信，該通信卡的處理器多數(shù)采用ARM核。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)方法正在進(jìn)行一場(chǎng)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(diǎn)。隨著SoC技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生的是SOPC 技術(shù)。它結(jié)合了SoC和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，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(jì)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(guó)Altera公司于2000年最早提出的，并同時(shí)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(gè)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(jì)技術(shù)，也是一種新的軟硬件綜合設(shè)計(jì)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(chǔ)器，外設(shè)以及用戶邏輯電路等)和軟件設(shè)計(jì)都放在一個(gè)可編程的FPGA芯片中，以達(dá)到系統(tǒng)的IC設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方式，具有開發(fā)周期短以及系統(tǒng)可修改等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)完成的SOPC可以通過HARDCOPY轉(zhuǎn)為ASIC芯片，從而可以實(shí)現(xiàn)快速量產(chǎn)。

　　EPA現(xiàn)場(chǎng)控制器設(shè)計(jì)

　　針對(duì)控制系統(tǒng)中連接管理網(wǎng)、控制網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備單元的要求，采用SOPC技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)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(xiàn)了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及EPA通信協(xié)議棧。該EPA現(xiàn)場(chǎng)控制器可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制信息的輸入輸出，并對(duì)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(bào)警。本文將針對(duì)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(chǎng)控制器的硬件設(shè)計(jì)總體方案

　　圖1是EPA現(xiàn)場(chǎng)控制器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。整個(gè)設(shè)計(jì)中，硬件上實(shí)現(xiàn)EP1C12Q240C8芯片、LAN91C111芯片的外圍接口電路的設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)了串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)了復(fù)位電路、JTAG、時(shí)鐘電路、電源電路的設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)了鍵盤電路、LCD顯示電路、蜂鳴器報(bào)警電路的設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)了HY57V641620芯片、AM29LV160芯片外圍電路的設(shè)計(jì)，拓展了豐富的存儲(chǔ)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(chǎng)的實(shí)際需要接入相應(yīng)的板卡(如DI/DO模塊、AI/AO模塊，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)之間的數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換、拓展MMC存儲(chǔ)卡，拓展其存儲(chǔ)容量等)。

圖1基于FPGA的EPA控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　在設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)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(chǔ)器(FLASH、SDRAM)、電源部分、時(shí)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。