基于Verilog狀態(tài)機(jī)的PLC背板總線協(xié)議接口芯片設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一組基于CPLD的PLC背板總線協(xié)議接口芯片，協(xié)議芯片可以區(qū)分PLC的背板總線的周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)。詳細(xì)介紹了通過Verilog HDL語言設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)、協(xié)議幀控制器、FIFO控制器的過程，25MHz下背板總線工作穩(wěn)定的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了協(xié)議芯片設(shè)計(jì)的可行性。

可編程邏輯控制器(PLC)主機(jī)是通過背板總線支持?jǐn)U展模塊的連接， 背板總線是PLC 主機(jī)同I/O擴(kuò)展模塊之間的高速數(shù)據(jù)通路，支持主機(jī)和擴(kuò)展模塊之間的I/O 數(shù)據(jù)刷新。背板總線的技術(shù)水平?jīng)Q定了PLC 產(chǎn)品的I/O 擴(kuò)展能力，是PLC 設(shè)計(jì)制造的核心技術(shù)。目前，PLC 大多采用串行通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)背板總線，串行總線引線少、硬件成本低，跟并行總線相比不容易受干擾，串行總線可以提高在惡劣的工廠和工業(yè)環(huán)境下自動(dòng)化設(shè)備的可靠性。用于串行通信技術(shù)的可選類型包括I2C、UART、SPI、USB 和以太網(wǎng)等，一般來說，很多作為PLC 主芯片的單片機(jī)自身都集成了這些外設(shè)部件。但是單片機(jī)內(nèi)部集成的I2C、UART、SPI 外設(shè)通信速率太慢，根本不能滿足底板總線的通信速度要求。USB 和以太網(wǎng)的通信速度雖然很快但由于它們都是通用的接口，在通信協(xié)議處理時(shí)需要單片機(jī)的干預(yù)， 單片機(jī)處理數(shù)據(jù)速度較慢，因此整體通信速度仍然很慢。一臺大型的PLC 采集上千點(diǎn)I/O 數(shù)據(jù)的時(shí)間一般不到1ms,要滿足如此高速的通信要求必須設(shè)計(jì)專門的背板總線。

1 背板總線工作原理

如圖1 所示，基于背板總線的數(shù)據(jù)通信流程如下：

(1)PLC 主機(jī)的命令通過主機(jī)協(xié)議芯片發(fā)送到背板總線;(2)從機(jī)協(xié)議芯片把接收到的命令給擴(kuò)展模塊的單片機(jī)， 某一個(gè)擴(kuò)展模塊的單片機(jī)做出應(yīng)答，通過從機(jī)協(xié)議芯片把應(yīng)答數(shù)據(jù)送往背板總線;(3)主機(jī)協(xié)議芯片收到應(yīng)答數(shù)據(jù)，并送往PLC主機(jī)的單片機(jī)。

圖1 背板總線通信框圖

PLC 主機(jī)發(fā)往背板總線的數(shù)據(jù)可以分成兩類：一類是I/O 刷新數(shù)據(jù)，具有周期性，數(shù)據(jù)交換非常頻繁;另一類是診斷性數(shù)據(jù)，具有非周期性，出現(xiàn)機(jī)會較少。

2 協(xié)議芯片設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)定義背板總線采用類似SPI 串行通信的規(guī)格，用于通信的引線共4 根，包括時(shí)鐘信號SCLK、片選信號SSEL、寫數(shù)據(jù)引線MISO 和讀數(shù)據(jù)引線MOSI;支持主機(jī)和從機(jī)同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位格式如圖2 所示，數(shù)據(jù)幀在SSEL 信號為低電平時(shí)傳輸。

圖2 背板總線數(shù)據(jù)規(guī)格

主機(jī)和從機(jī)協(xié)議芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖相同，如圖3 所示。

協(xié)議芯片內(nèi)部有狀態(tài)機(jī)控制器、幀控制器、移位寄存器、接收/發(fā)送FIFO 和讀寫緩存。單片機(jī)發(fā)送的周期性、非周期性數(shù)據(jù)幀，首先都寫到寫緩存，在發(fā)送FIFO 中進(jìn)行排隊(duì)發(fā)送，在SPI 時(shí)鐘SCLK 的驅(qū)動(dòng)下數(shù)據(jù)幀被轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)發(fā)送到背板總線;在SPI 時(shí)鐘的作用下， 接收來自背板總線上的串行數(shù)據(jù);在狀態(tài)機(jī)和幀控制器的協(xié)調(diào)下，接收FIFO 中的有效數(shù)據(jù)幀被提取并放進(jìn)讀緩存區(qū)，等待單片機(jī)來讀取，如果是非周期性數(shù)據(jù)則發(fā)中斷信號通知單片機(jī)來取數(shù)據(jù)。讀緩存中的周期性數(shù)據(jù)是可以覆蓋的，新接收到的周期性數(shù)據(jù)直接覆蓋舊的周期性數(shù)據(jù)，而非周期性數(shù)據(jù)是單獨(dú)存放的，不能覆蓋，由單片機(jī)讀取并清除。

圖3 協(xié)議芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

協(xié)議芯片使得外接的單片機(jī)可以在空閑的情況下訪問讀緩存和寫緩存，單片機(jī)不必頻繁地通過中斷技術(shù)處理周期性數(shù)據(jù)，也使得PLC 主機(jī)可以無等待地訪問從機(jī)的周期性數(shù)據(jù)。

3 基于CPLD 的協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)

3.1 CPLD 芯片選型。

本設(shè)計(jì)選用lattice 公司的MachXO 系列芯片，該系列CPLD 集成了部分FPGA 的功能， 除了內(nèi)置豐富的LUT 資源以外，還有大量分布式的SRAM 位和嵌入式的專用于FIFO 設(shè)計(jì)的SRAM 塊， 并有模擬鎖相環(huán)(PLL)支持時(shí)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。

3.2 基于Verilog HDL 語言的硬件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用Verilog HDL 語言進(jìn)行協(xié)議芯片的程序設(shè)計(jì)，Verilog HDL 語言是一種硬件描述語言，設(shè)計(jì)數(shù)字芯片時(shí)可以按照層次描述，并可以進(jìn)行時(shí)序建模。本設(shè)計(jì)采用混合設(shè)計(jì)模式，主要設(shè)計(jì)的模塊有狀態(tài)機(jī)、協(xié)議幀檢測、FIFO 控制器設(shè)計(jì)等。

1)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)。

協(xié)議芯片的頂層模塊是狀態(tài)控制器部分，協(xié)議芯片共有四個(gè)狀態(tài)， 分別處理基于Verilog HDL 程序語言的狀態(tài)機(jī)描述偽代碼如下：


2)協(xié)議幀檢測。

本協(xié)議芯片的幀校驗(yàn)和采用簡單的加和形式進(jìn)行，在接收一方，如果數(shù)據(jù)幀中有用數(shù)據(jù)的加和同后續(xù)的校驗(yàn)和字節(jié)相同，則協(xié)議是正確的，否則丟棄該幀。協(xié)議幀校驗(yàn)和計(jì)算的代碼如下：


3)FIFO 設(shè)計(jì)。

FIFO 利用了MachXO 系列CPLD 的嵌入式SRAM 塊的資源，Lattice 公司的ispLEVER 7.0 軟件提供了可配置的IP 軟核，該軟核可以采用基于嵌入式SRAM 塊實(shí)現(xiàn)， 也可以使用查找表實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)IFO 的IP 核框圖如圖4 所示，F(xiàn)IFO 的可配置參數(shù)包括FIFO字節(jié)深度、EmptyFull、Almostempty 和AlmostFull觸發(fā)字節(jié)深度、數(shù)據(jù)寬度、大小端模式等。

圖4 可配置FIFO 控制器IP 軟核框圖

用Verilog HDL 語言實(shí)現(xiàn)的發(fā)送和接收FIFO控制器的實(shí)例代碼如下：


3.3 協(xié)議芯片綜合

Verilog HDL 程序通過Lattice 公司的CPLD 開發(fā)軟件ispLEVER 7.0 進(jìn)行編譯、綜合，多次嘗試后最終選擇了Lattice 公司MachXO 系列CPLD 中的MachXO2280 芯片， 綜合后的主機(jī)協(xié)議芯片占用CPLD 資源的60%左右， 從機(jī)協(xié)議芯片占用CPLD資源的45%左右，F(xiàn)IFO 控制器充分利用了MachXO2280芯片內(nèi)部的嵌入式RAM 塊， 同時(shí)利用了鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)高頻率的時(shí)鐘工作。最后通過LSC ispVM(R)System 燒寫軟件經(jīng)JTAG 口下載到CPLD 芯片中進(jìn)行協(xié)議芯片功能驗(yàn)證測試。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的背板總線協(xié)議芯片在背板串行總線時(shí)鐘頻率為25MHz、信號電平為LVTTL,底板引線長度為40cm,1 臺主機(jī)連接3 臺擴(kuò)展模塊的情況下工作穩(wěn)定并通過了群脈沖試驗(yàn)，驗(yàn)證了這一組協(xié)議芯片的設(shè)計(jì)是成功的。由于該組協(xié)議芯片是針對PLC 的周期性和非周期性數(shù)據(jù)傳送專門設(shè)計(jì)的，硬件實(shí)現(xiàn)的協(xié)議幀控制器支持高速率通信、支持?jǐn)?shù)據(jù)幀檢驗(yàn)功能，避免了數(shù)據(jù)傳送的錯(cuò)誤，大大降低了外圍單片機(jī)的軟件開銷，增強(qiáng)了可靠性，是一組非常適合用于PLC 背板總線或者需要多模塊協(xié)同工作的背板總線系統(tǒng)協(xié)議芯片。