基于單片機(jī)和CPLD的PLC背板總線協(xié)議接口芯片設(shè)計(jì)（一）

　　可編程邏輯控制器(PLC)主機(jī)是通過(guò)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(lái)說(shuō)，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(tái)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(guò)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(guò)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(huì)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(hào)SCLK、片選信號(hào)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(hào)為低電平時(shí)傳輸。

圖2 背板總線數(shù)據(jù)規(guī)格

　　信號(hào)包括數(shù)據(jù)/地址信號(hào)、復(fù)位信號(hào)Reset、中斷信號(hào)INT.

　　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(lái)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(lái)讀取，如果是非周期性數(shù)據(jù)則發(fā)中斷信號(hào)通知單片機(jī)來(lái)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(wèn)讀緩存和寫緩存，單片機(jī)不必頻繁地通過(guò)中斷技術(shù)處理周期性數(shù)據(jù)，也使得PLC 主機(jī)可以無(wú)等待地訪問(wèn)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(hào)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。