CPLD在可编程逻辑控制系统中的应用研究

　　摘　要： 对CPLD在可编程逻辑控制系统中的可行性和应用优势进行了分析，提出了一种基于CPLD的新的可编程逻辑控制系统设计方法，并给出了一个设计实例。
　　关键词： CPLD 可编程逻辑控制系统 PLC
   
　　可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)以体积小、编程灵活、功能强大、使用方便等特点在工业自动化领域得到了广泛应用。
　　目前流行的PLC普遍以微处理器芯片为核心，配以必要的存储器和I/O接口，通过编写和运行程序实现对各种I/O信号的逻辑控制。以下将这类PLC简称为程控式PLC。程控式PLC在运行过程中，其CPU与各设备之间的信息交换、用户程序的执行、信号采集、控制量的输出等操作都是按照固定的顺序以循环扫描的方式进行，每个循环都要对所有功能进行查询、判断和操作。这种顺序和格式不能人为改变。在一个周期内，CPU对整个用户程序只执行一遍。这种机制虽然方便，但实时性差。过长的扫描时间，直接影响系统对信号响应的效果。在保证控制功能的前提下，最大限度地缩短CPU的周期扫描时间是一个很复杂的问题，一般只能从用户程序执行时间最短方面采取措施。例如，为了提高实时响应速度，可采用中断方式处理输入信号。但是微处理器响应中断的过程也需要花费一定的机器周期，响应时间通常为几十微秒至几百微秒，如果加上中断处理程序的执行时间，则到最终输出响应信号所需的时间甚至可达几毫秒。程控式PLC的这种响应特性使它不能满足实时响应速度要求较高的应用系统。
　　为了克服程控式PLC输出响应速度慢的缺点，本文对现场可编程逻辑门阵列CPLD(Complex Programmable Logic Device)在PLC控制系统中的可行性和应用优势进行了分析，提出了一种新的基于CPLD的可编程逻辑控制系统的设计与实现方法。
1 CPLD在可编程逻辑控制系统中应用的优势
　　CPLD具有体系结构和逻辑单元灵活、高集成度、高速度、标准化、低成本、设计方便、可反复编程并可现场模拟调试验证等特点。这些特点都使CPLD适于作为可编程逻辑控制系统的核心控制部件。
　　此外，CPLD很重要的一个特点是在对输入输出信号进行逻辑控制时，不需要执行指令和程序，不需要执行扫描循环，没有“指令周期”概念，输入信号仅通过CPLD芯片内硬件逻辑门阵列的不同组合来控制输出信号，系统对输入信号的响应时间仅取决于门阵列的传输延时。CPLD允许使用高达数百兆赫兹的全局时钟信号驱动，因此其响应时间仅为数十纳秒。这相对于程控式PLC来说具有显着的优势。
2 基于CPLD的可编程逻辑控制器结构
　　基于CPLD的可编程逻辑控制器结构如图1所示。它具有与程控式PLC相同的输入输出电路，但控制器的核心采用CPLD芯片，用来实现对输入/输出信号的逻辑控制，取代了程控PLC中的微处理器、存储器及控制程序。用户可在电脑上方便地通过集成开发软件修改控制逻辑，并可随时通过JTAG接口将修改后产生的编程文件(其作用相当于程控PLC中的用户程序)下载到CPLD芯片中。
   
   
　　输入接口电路的作用主要是将各种现场输入信号转换为+5V逻辑信号，经过光电隔离后送给CPLD处理。
　　输出接口电路的作用是将CPLD的输出控制信号经过光电隔离和驱动，以继电器方式或晶体管方式提供给系统的执行电路。
3 基于CPLD的可编程逻辑控制系统的设计方法
　　用CPLD设计可编程逻辑控制系统的内容包括控制系统硬件设计和CPLD控制逻辑设计两部分。系统硬件由PLC控制器、外部信号输入电路和输出执行电路构成。系统总体结构与程控式PLC控制系统相同，仅控制器核心部分不同。CPLD控制逻辑用VHDL语言或逻辑原理图实现程控式PLC控制系统中阶梯图的功能，这一工作可利用多种专用的集成开发软件完成，例如ALTERA公司的MAX+PLUS II和Quartus II、Xilinx公司的Xilinx Foundation、Lattice公司的Lattice ispEXPERT等。
　　用CPLD设计可编程逻辑控制系统的流程如图2所示。
   
   
　　首先根据系统逻辑控制功能的需要进行设计输入，实现类似PLC阶梯图的功能。通常可采用两种设计输入方法，即逻辑原理图法和VHDL语言编程法。逻辑原理图法是一种图形化的设计输入方法，具有直观易懂的特点，有许多现成的库元件可直接调用，用户还可以向库中自主加入新元件。当设计的系统较为复杂时，可采用层次化设计，使用十分方便。VHDL语言编程法具有多层次描述系统硬件功能的能力，具有丰富的库函数和仿真语句，可随时对设计进行仿真模拟，在设计早期就能查验设计的功能可行性。
　　设计输入完成后，立即可用集成开发软件的仿真功能进行模拟仿真，查验设计系统的功能和时序，确保设计的正确性和可靠性。
　　设计校验通过后，需要将设计输入文件编译成针对具体CPLD芯片的编程数据文件。在编译时，还可对各I/O引脚进行重新分配和指定。
　　将编译后产生的编程文件下载到CPLD芯片中，就可进行实际的现场试运行调试了。由于控制逻辑已经过软件仿真，因此现场调试的工作量和调试时间都将大大减少。编程文件的下载既可采用便携式电脑与下载电缆完成，也可通过计算机网络远程下载。
4 设计实例
　　下面以一个最简单的带自保持的启动/停止控制为例说明具体的设计方法。本例中，描述逻辑控制功能的阶梯图如图3所示。
   
   
　　其中：x1为启动信号，x2为停止信号，y1为输出控制信号，x1、x2和y1都是高电平有效；reset为CPLD芯片的上电复位信号，低电平有效。采用VHDL语言编程如下：
　　LIBRARY　ieee；
　　USE ieee.std_logic_1164.all；
　　ENTITY　plc　IS
　　　　PORT(x1，x2，reset：IN　STD_LOGIC；y1：BUFFER STD_LOGIC)；
　　END　plc；
　　ARCHITECTURE ladder OF　 plc 　 IS
　　　BEGIN
　　　　PROCESS(reset，x1，x2)
　　　　　BEGIN
　　　　　　IF(reset=&prime;0&prime;) THEN y1<=&prime;0&prime;；
　　　　　　ELSE
　　　　　　　y1<=(x1 OR y1)AND (NOT x2)；
　　　　　　END IF；
　　　　END PROCESS；
　　END ladder；
　　利用MAX+PLUS II的定时仿真工具对以上程序仿真，结果如图4所示。
   
   
　　本示例用VHDL语言初步实现了程控PLC中的阶梯图的逻辑控制功能。虽然本例只采用了一个简单的梯形图，但复杂的梯形图也完全可以通过VHDL语言编程实现。本例所采用的CPLD芯片的速度等级为10ns，由图4可见，从x1信号开始有效到y1产生有效输出信号，输出响应时间仅为10ns，这与程控式PLC微秒级的输出响应时间相比具有显着优势。如果采用速度等级更高的CPLD芯片，则可进一步扩大速度优势。
　　对CPLD在可编程逻辑控制系统应用的优势分析与设计实例的结果表明，CPLD可以很好地应用于可编程逻辑控制系统的设计中，基于CPLD的可编程逻辑控制系统具有响应速度快、实时性好等优点，可应用于对实时性要求很高的系统控制中。如果能提高设计输入的效率，该设计方法将会得到更为广泛的应用。
参考文献
1 杜开初.AT89C51单片机控制的微型可编程控制器[EB/OL].http：//www.qlmcu.com/，2005，12
2 李国洪，沈明山.可编程器件EDA技术与实践[M].北京：机械工业出版社，2004
3 林小峰，陈 斌，许光泞.一种基于工业PC的软PLC控制系统.微计算机信息，2005；(11)