基於單片機和CPLD的PLC背板總線協議接口晶片設計(一)

2021-01-10 電子產品世界

摘要：設計了一組基於CPLD的PLC背板總線協議接口晶片，協議晶片可以區分PLC的背板總線的周期性數據和非周期性數據。詳細介紹了通過Verilog HDL語言設計狀態機、協議幀控制器、FIFO控制器的過程，25MHz下背板總線工作穩定的試驗結果驗證了協議晶片設計的可行性。

　　可編程邏輯控制器(PLC)主機是通過背板總線支持擴展模塊的連接， 背板總線是PLC 主機同I/O擴展模塊之間的高速數據通路，支持主機和擴展模塊之間的I/O 數據刷新。背板總線的技術水平決定了PLC 產品的I/O 擴展能力，是PLC 設計製造的核心技術。目前，PLC 大多採用串行通信技術實現背板總線，串行總線引線少、硬體成本低，跟並行總線相比不容易受幹擾，串行總線可以提高在惡劣的工廠和工業環境下自動化設備的可靠性。用於串行通信技術的可選類型包括I2C、UART、SPI、USB 和乙太網等，一般來說，很多作為PLC 主晶片的單片機自身都集成了這些外設部件。但是單片機內部集成的I2C、UART、SPI 外設通信速率太慢，根本不能滿足底板總線的通信速度要求。USB 和乙太網的通信速度雖然很快但由於它們都是通用的接口，在通信協議處理時需要單片機的幹預， 單片機處理數據速度較慢，因此整體通信速度仍然很慢。一臺大型的PLC 採集上千點I/O 數據的時間一般不到1ms,要滿足如此高速的通信要求必須設計專門的背板總線。

　　1 背板總線工作原理

　　如圖1 所示，基於背板總線的數據通信流程如下：

　　(1)PLC 主機的命令通過主機協議晶片發送到背板總線;(2)從機協議晶片把接收到的命令給擴展模塊的單片機， 某一個擴展模塊的單片機做出應答，通過從機協議晶片把應答數據送往背板總線;(3)主機協議晶片收到應答數據，並送往PLC主機的單片機。

圖1 背板總線通信框圖

　　PLC 主機發往背板總線的數據可以分成兩類：一類是I/O 刷新數據，具有周期性，數據交換非常頻繁;另一類是診斷性數據，具有非周期性，出現機會較少。
2 協議晶片設計

　　本設計定義背板總線採用類似SPI 串行通信的規格，用於通信的引線共4 根，包括時鐘信號SCLK、片選信號SSEL、寫數據引線MISO 和讀數據引線MOSI;支持主機和從機同時收發數據，數據位格式如圖2 所示，數據幀在SSEL 信號為低電平時傳輸。

圖2 背板總線數據規格

　　信號包括數據/地址信號、復位信號Reset、中斷信號INT.

　　主機和從機協議晶片的內部結構框圖相同，如圖3 所示。

　　協議晶片內部有狀態機控制器、幀控制器、移位寄存器、接收/發送FIFO 和讀寫緩存。單片機發送的周期性、非周期性數據幀，首先都寫到寫緩存，在發送FIFO 中進行排隊發送，在SPI 時鐘SCLK 的驅動下數據幀被轉換為串行數據發送到背板總線;在SPI 時鐘的作用下， 接收來自背板總線上的串行數據;在狀態機和幀控制器的協調下，接收FIFO 中的有效數據幀被提取並放進讀緩存區，等待單片機來讀取，如果是非周期性數據則發中斷信號通知單片機來取數據。讀緩存中的周期性數據是可以覆蓋的，新接收到的周期性數據直接覆蓋舊的周期性數據，而非周期性數據是單獨存放的，不能覆蓋，由單片機讀取並清除。

圖3 協議晶片內部結構框圖

　　協議晶片使得外接的單片機可以在空閒的情況下訪問讀緩存和寫緩存，單片機不必頻繁地通過中斷技術處理周期性數據，也使得PLC 主機可以無等待地訪問從機的周期性數據。

　　3 基於CPLD 的協議晶片實現

　　3.1 CPLD 晶片選型

　　本設計選用lattice 公司的MachXO 系列晶片，該系列CPLD 集成了部分FPGA 的功能， 除了內置豐富的LUT 資源以外，還有大量分布式的SRAM 位和嵌入式的專用於FIFO 設計的SRAM 塊， 並有模擬鎖相環(PLL)支持時鐘信號的倍頻、分頻等，I/O引腳可配置成1.2/1.5/1.8/3.3V 電平兼容。

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