一种基于sopc技术的plc协同控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种工控可编程逻辑嵌入式软核PLC装置，尤其涉及一种基于SOPC技术的协同PLC实现工业自动化控制的装置。
【背景技术】
[0002]由于传统硬件PLC技术对外封闭，各个生产厂商的PLC硬件平台各不相同，支持的PLC语言也不相同，而且相互之间通信的协议和总线也完全不同。因此，随着计算机技术的发展，人们已经逐渐认识到硬件PLC的通用性、兼容性和拓展性不好正在制约着PLC的快速发展。同时，随着卷烟工业新一轮的技改，大量新型烟草制丝设备从德国HAUN1、意大利Garbu1等国外烟机设备公司引进，设备厂家对于关键设备的PLC程序采取了技术封锁甚至加密等手段。因此，对于烟机功能改进，需要寻求一种新的解决方案来突破传统PLC内部程序封锁以及外部通用性、兼容性差等问题。
[0003]过去，逻辑控制器系统的开发多基于ASIC设计的硬件平台，而近年来出现的可编程片上系统(SOPC)解决方案得到了业界广泛的重视并迅速发展。SOPC不仅仅使PCB设计更为简单，而且设计更灵活，开发更高效。它的特点在于其可编程性，即利用现场可编程门阵列(FPGA)器件的可编程性进行SOC (system on chip)设计。SOPC Builder为每一个元件提供一个向导，利用该向导很容易定制元件功能，且通过该向导能够非常方便地在一个设计中加入N1s II软核处理器、外设接口等。为了将微处理器核、外围设备、存储器和其它IP核相互连接起来，SOPC Builder能够自动生成片上总线和总线仲裁器等所需的逻辑。SOPC Builder在一个工具中实现了嵌入式系统各个方面的开发，包括软件的设计和验证，因此运用SOPC技术可以在FPGA上便捷、快速定制各种复杂逻辑控制，并将传统PLC中逻辑移植或转移到FPGA器件上实现。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种基于SOPC技术的PLC协同控制装置。将基于SOPC技术的FPGA作为虚拟PLC来协助传统硬件PLC完成自动化控制，解决传统PLC单一控制的缺点，通过SOPC定制各种功能与传统PLC实时通讯达到双核协同时控制同一设备的目的。
[0005]为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案:
基于SOPC技术的PLC协同控制装置，该装置包括硬件系统和软件系统两部分；所述的硬件系统包括上位机和下位机，所述的上位机运行在PC机上，完成编写PLC程序以及编译成目标代码以及代码传输工作；所述的下位机使用Altera FPGA(EP2c35F672c6)N1s II嵌入式软处理器为硬件平台，与上位机之间通过RS232协议进行通信；所述的下位机由N1sII软核处理器模块、存储器模块和外围模块组成，其中N1s II软核处理器模块由CPU模块、TIMERO模块、TIMERl模块、UART模块和JTAG模块组成，对FPGA配置时，通过SOPCBuilder系统综合软件设定N1s II软核参数，并设置HMERO模块、TIMERl模块、UART模块和JTAG模块相关参数，自动分配各模块基地址和指定N1s II处理器的复位地址与异常中断地址，生成相应的N1s II系统，UART模块通过使用RS232协议可实现上位机与FPGA的传输以及PLC梯图文件的串口通信，JTAG模块通过转换电路将RS232协议转换成RS485协议，再通过CP341卡实现与PLC通讯；
所述的软件系统包括嵌入式uC/OS-1I实时操作系统、上位机软件、下位机软件和虚拟软核PLC ;
所述的嵌入式uC/OS-1I实时操作系统在硬件系统创建完成之后，开展一个基于N1sII处理器的MicroC/OS-1I软件设计过程，并使用IDE对所有的RTOS模块进行配置；所述的上位机软件在PC机上执行，主要负责编译PLC梯形图并传输梯形图文件；所述的下位机软件通过设计N1s II IDE完成，下载硬件设计中Quartus II最终生成配置文件到FPGA中，而后可以在N1s II IDE下建立工程，编辑调试下位机程序，在新建的工程中，N1s II IDE会根据SOPC Builder对应系统配置自动生成一个定制的硬件抽象层(hardware abstract1n layer，HAL)系统库，为程序和底层硬件的通信提供接口驱动程序，同时还提供一个可移植的uC/OS-1I的实时操作系统环境；
所述的虚拟软核PLC完成PLC程序代码解释、执行机制的核心部分，负责接受上位机发送的类PLC逻辑程序命令，控制任务解释器的执行，由于虚拟软核PLC运行在uC/OS-1I占先式内核实时系统中，任务解释器在PLC虚拟机中循环取得代码指令并执行相应的操作，实现PLC程序对外部设备的控制功能。
[0006]作为优选，所述的CPU模块选用基于RISC技术的32位嵌入式处理器N1s II模块。
[0007]作为优选，所述的存储器模块选用掉电数据不丢失的FLASH存储器来存储应用程序及要保存的数据参数；选用读写速度较高的SDRAM存储器来给uC/OS-1I操作系统和应用程序提供运行空间并缓存中间处理数据。
[0008]作为优选，所述的外围模块包括一个IXD字符型液晶显示屏、4个LED灯、两个开关。IXD用来显示PLC虚拟机的运行状态，而LED与两个开关则用来实现PLC的功能。
[0009]作为优选，所述的嵌入式uC/OS-1I实时操作系统是一种基于优先级的可抢先硬实时内核。
[0010]本发明由于选用N1s II软核处理器模块为核心并利用SOPC技术进行构建，具有很强的可修改性和可移植性；由于添加了 uC/OS-1I实时操作系统保证了系统运行的实时性，并且能够根据特定的需要编写自定义IP核，自由添加所需要的特定功能，同时方便的增加或减少1/0端口的数量，使系统更具可拓展和维护性；又由于FPGA具有较高的密度，能够集成很大的系统，因此又增加了系统的可靠性。
【附图说明】
[0011]图1为本发明的结构示意图。
[0012]图2为本发明协同PLC控制示意图。
[0013]图3为本发明系统结构示意图。
[0014]图4为本发明硬件组成示意图。
[0015]图5为本发明软件组成示意图。
[0016]图6为本发明虚拟软核PLC任务调度示意图。
[0017]图7为本发明虚拟软核PLC运行时序图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做一个详细的说明。
[0019]如图1，基于SOPC技术的PLC协同控制装置包括硬件系统I和软件系统2两部分；所述的硬件系统I包括上位机3和下位机4 ;所述的下位机4由N1s II软核处理器模块5、存储器模块6和外围模块7组成，其中N1s II软核处理器模块5由CPU模块8、HMER0模块9、TIMERl模块10、UART模块11、JTAG模块12组成；所述的软件系统2包括嵌入式uC/OS-1I实时操作系统13、上位机软件14、下位机软件15、虚拟软核PLC 16。
[0020]如图2，所述的基于SOPC技术的PLC协同控制装置就是在不改变原有PLC程序、硬件接线前提下，通过现场总线访问PLC内部资源，并将自身控制逻辑运算结果再次通过现场总线传回PLC，最终实现双核协同控制。
[0021 ] 如图3，所述的上位机3运行在PC机上，完成编写PLC程序以及编译成目标代码以及代码传输等工作。
[0022]所述的下位机4使用Altera FPGA(EP2c35F672c6)N1s II嵌入式软处理器为硬件平台，与上位机3之间通过RS232协议进行通信。
[0023]如图4，所述的CPU模块8选用基于RISC技术的32位嵌入式处理器N1s II模块5。对FPGA配置时，通过SOPC Builder系统综合软件设定N1s II软核参数，在常用外围设备及接口组件中选择HMERO (计时器)模块9、TIMERl (定时器)模块10、UART模块IUJTAG模块12以及UART(RS-232)等模块，并设置相关参数，自动分配各模块基地址和指定N1s II处理器的复位地址与异常中断地址，生成相应的N1s II系统。UART接口通过使用RS232协议可实现PC机与FPGA的传输以及PLC梯图文件的串口通信等功能。JTAG 12接口通过转换电路将RS232协议转换成RS485协议，再通过CP341卡实现与PLC通讯。基于SOPC技术的优势将很多资源集中在FPGA中，使系统的扩展与升级更加容易，只需在FPGA中添加相应功能的模块即可。对于自定义外设，可以通过VHDL硬件语言编写IP核，在SOPCBuilder中添加这个自定义组件，并通过标准Avalon总线连接。
[0024]所述的存储器模块6选用掉电数据不丢失的FLASH存储器来存储应用程序及要保存的数据参数；选用读写速度较高的SDRAM存储器来给uC/OS-1I操作系统和应用程序提供运行空间并缓存中间处理数据。
[0025]所述的外围模块7包括一个IXD字符型液晶显示屏、4个LED灯、两个开关。IXD用来显示PLC虚拟机的运行状态，而LED与两个开关则用来实现PLC的功能。
[0026]如图5，所述的嵌入式uC/OS-1I实时操作系统是一种基于优