基于SOPC技術(shù)的EPA現(xiàn)場控制器的設計

基于SOPC技術(shù)的EPA現(xiàn)場控制器的設計引言隨著以太網(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)成為一個獨立發(fā)展的分支。EPA是我國第一個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、并被國際標準化組織接收和采用的工業(yè)自動化標準。該標準是一種基于以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙等信息網(wǎng)絡通信技術(shù)的，適用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)裝置與儀器儀表間、工業(yè)自動化儀器儀表相互間數(shù)據(jù)通信的工業(yè)控制網(wǎng)絡通信標準。大量的EPA現(xiàn)場設備都是通過加裝EPA通信卡來進行通信，該通信卡的處理器多數(shù)采用ARM核。近年來，隨著半導體技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的芯片設計方法正在進行一場革命，其標志就是系統(tǒng)芯片（SoC）被業(yè)界廣泛接受，并成為研究和開發(fā)的熱點。隨著SoC技術(shù)應運而生的是SOPC技術(shù)。它結(jié)合了SoC和FPGA的優(yōu)點，可裁減、可擴充、可升級，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設計轉(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)絡通信和SOPC技術(shù)的基礎上，開發(fā)了一種基于SOPC技術(shù)的EPA控制器。圖1基于FPGA的EPA控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖SOPC技術(shù)SOPC技術(shù)是美國Altera公司于2000年最早提出的，并同時推出了相應的開發(fā)軟件QuartusII。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)設計技術(shù)，也是一種新的軟硬件綜合設計技術(shù)。通過它，可以很快地將硬件系統(tǒng)（包括微處理器，存儲器，外設以及用戶邏輯電路等）和軟件設計都放在一個可編程的FPGA芯片中，以達到系統(tǒng)的IC設計。這種設計方式，具有開發(fā)周期短以及系統(tǒng)可修改等優(yōu)點。設計完成的SOPC可以通過HARDCOPY轉(zhuǎn)為ASIC芯片，從而可以實現(xiàn)快速量產(chǎn)。EPA現(xiàn)場控制器設計針對控制系統(tǒng)中連接管理網(wǎng)、控制網(wǎng)和現(xiàn)場設備單元的要求，采用SOPC技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)和自動控制技術(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處理器上實現(xiàn)了實時操作系統(tǒng)及EPA通信協(xié)議棧。該EPA現(xiàn)場控制器可實現(xiàn)實時控制信息的輸入輸出，并對以太網(wǎng)上的其他的EPA設備進行監(jiān)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行說明。EPA現(xiàn)場控制器的硬件設計總體方案圖1是EPA現(xiàn)場控制器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。整個設計中，硬件上實現(xiàn)EP1C12Q240C8芯片、LAN91C111芯片的外圍接口電路的設計；實現(xiàn)了串口通信和網(wǎng)絡通信的設計；實現(xiàn)了復位電路、JTAG、時鐘電路、電源電路的設計；實現(xiàn)了鍵盤電路、LCD顯示電路、蜂鳴器報警電路的設計；實現(xiàn)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、windowsCE操作系統(tǒng)等；拓展了總線接口，可以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際需要接入相應的板卡（如DI/DO模塊、AI/AO模塊，實現(xiàn)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)之間的數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換、拓展MMC存儲卡，拓展其存儲容量等）。在設計時，考慮到由于該控制器的結(jié)構(gòu)、功能較為復雜，涉及到的器件種類較多。所以在設計時，將硬件板卡分為兩部分來做。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、時鐘源、JTAG、EPCS下載