（电工理论与新技术专业论文）引入cpld技术的新型工业控制器的研究与设计.pdf

r e s e a r c ha n dd e s i g no fan e wi n d u s t r i a lc o n t r o l l e r b a s e do nc p l dt e c h n o l o g y a b s t r a c t a sav e r yi m p o r t a n tb a s i ce q u i p m e n t ， a u t o m a t i o ni n d u s t r y p l cp l a y sv e r ym o r e m a n u f a e t u r e f o r e i g np l ch a sh e l dt h e p l ci sc a l l e do n eo ft h et h r e em a j o rp i l l a r si n a n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fi n d u s t r y c h i n e s em a r k e tf o ra l lt h e s ey e a r s ，w h i c hi s u n a c c e p t a b l e c h i n e s es t u d yo np l c s h o u l dn o to n l yk e e pi nt h es t a t eo fd i g e s t i o no ff o r e i g n t e c h n o l o g y n i sp a p e r sm a i nw o r k i st od e s i g nan e wt y p ep l c ，w h i c hi sb a s e do nc p l d a st h ec o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) h a s t h ea d v a n t a g e so fh i g hs p e e da n d c o n v e n i e n tp r o g r a m m i n g ，i ti su s e db r o a d l y t h i sd e s i g nr e a l i z e sad i g i t a ll o g i cp r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e rw i t h1 6i n p u t 1 2o u t p u t ，u s i n gc p l da si t sc o r e t h r o u g ht h ee x t e r n a lc i r c u i t d e s i g n i n g ，p r o g r a m m i n gb yh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ea n dd o w n l o a d i n g t h ee x p e r i m e n t a l p r o c e d u r e t h ep r o d u c t i o no fan e wp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e ri sf i n i s h e d 1 n h es o f t w a r e b a s e do nt h ec p l dc o r ea n da p p l i c a t i o no fh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e sa n dl o g i c p r o g r a m m i n gp l a n st om e e tt h en e e d s o ft h ea p p l i c a t i o ns y s t e m i tc a l lb eu s e dt o p d o w nd e s i g n m e t h o d o l o g yt om a k ec o m p l e xs y s t e m se n g i n e e r i n g ，a c h i e v ei n 。s y s t e mp r o g r a m m m g t om e e t t h eg e n e r a lr e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a lc o n t r o l ，i no r d e rt oa c h i e v ep l cs e q u e n c ep r o g r a m c o n t r 0 1 a n dt h ep r o c e d u r e sf o r t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es p e e da n dc o s t e f f e c t i v eu p a l em u c h b e t t e rt h a nt h ee x i s t i n gp r o g r a m m a b l elo g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) ，w i t h t h ev a l u eo fa p p l y i n ga n d f u r t h e rd e v e l o p m e n t t h es u b j e c to ft h ep l cl e v e lo fi n n o v a t i o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c e ，a r eo f at e c h n i c a li n n o v a t i o na n di n d e p t hs t u d yo ft h er e l e v a n tt h e o r yf o rp r o g r a m m a b l ec o n t r o l p r o d u c t si nc h i n at op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o ru p g r a d i n g f i n a l l y ，ah y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma sa ne x a m p l e ，t h ee l e c t r i c a lc i r c u i to ft h eh y d r a u l i c s y s t e mi sd e s i g n e d u s et h i sc o n t r o l l e rr e a l i z e sac o n t r o ls y s t e mt oa c h i e v es o m ec o n t r o l t og o o d e f f e c t t h ed e s i g no ft h es y s t e mo n l ya c h i e v e das m a l lp l cs y s t e mi nap r o t o t y p ei n t h e f u n c t i o n a la r e a st oi m p r o v ef u r t h e rt h ea n a l y s i s ，r e s e a r c ha n dt e s t i n g k e yw o r d s ：c o n t r o l l e r ；c o m p t e x d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ； p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ；h a r d w a r e i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ；s e q u e n c ec o n t r o l 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目： 至1 堡l 垒整盛幽圣些趔墅鱼叠监鲥 作者签名： 型逸 日期：立12 年l 月三三日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可。 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 学位论文题目 作者签名 导师签名 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题的来源、目的及意义 在实际电气工程中，应用p l c 的场合非常之多，p l c 大部分为国外产品，价位普 遍偏高，所以设想出用其他芯片代替p l c 中的c p u 单元，来降低成本，并且可以替代 p l c 实现工业控制中的顺序控制功能，经过市场考察和对可编程逻辑控制语言的考虑， 现应用c p l d 芯片为核心设计一款可编程控制器。 c p l d 的速度非常快，能使系统速度能够轻易达到并超过3 0 0 m h z 。c p l d 的时序特 性一般用纳秒( n s ) 或m h z 描述( 1 0 0 m h z 等于1 0 n s ，2 0 0 m h z 等于5 n s ) 。今天的c p l d 器件其输入到输出延时可小至3 0 n s ，速度相当于3 8 5 m h z 。而大部分p l c 的系统速 度一般在数十纳秒。 传统p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 经过几十年的发展，已经成为一项成熟 技术，它以其高速度、高性能、高可靠性在工业控制领域得到了广泛的应用。然而，人 们逐渐认识到，传统p l c 自身存在着这样那样的缺点：由于传统p l c 的生产厂商之间 的产品互相不兼容，缺少明确一致的标准，造成难以构建开放的硬件体系结构；各厂商 产品的编程方法差别很大，技术专有性较强，工作人员必须经过较长时间的专业培训才 能掌握某一种产品的编程方法；传统p l c 的生产被几家厂商所垄断，造成p l c 的性价 比增长很缓慢。这些问题都成了制约传统p l c 发展的因素，工控领域的研究人员也一 直在寻求解决这些问题的途径。 1 2 国内外研究现状 1 2 1p l c 研究现状 自6 0 年代末引入p l c 技术以来，p l c 由最初的只能处理开关量而发展到可以处理 模拟量和数据，以后又与d c s 、工业p c 机和p i d 调节器等技术结合，利用不同的性能 和特点，相互渗透和融合、集成以及网络化，构成各种新型的自动化控制系统，以满足 各种自动控制的要求。 随着个人计算( p c 机) 和通讯技术的发展，现在p l c 和d c s 的设计结构越来越接 近。基本构架都是操作站通过以太网接主站，主站通过现场总线接从站。出于安全性的 考虑，冗余技术也不断发展，双冗余( 如：g t c o n 2 0 0 0 ) 、三冗余( 如：t 对c o n ) 、七 冗余( 航空领域) 。从p l c 主站c p u 的运行方式上又分为冷备、热备和同步热备。冗余 技术的发展使得p l c 可以冲破低级芯片的限制，而大量应用尖端的电子技术，与p c 机 发展同步。由于个人计算机的飞速发展，p c 机变得稳定而可靠。其接口的开放性，通 讯和c u p 的速度都使得它比原始设计思想下的p l c 更适用于工控的要求。因此出现了软 p l c 的概念，又称为软逻辑。其构架是：在p c 机上安装如l i n u x 、w i n c e 等操作系统， 引入c p l d 技术的新型工业控制器的研究与设计 而在操作系统中运行i e c l l 3 1 的逻辑执行程序，作为p l c 系统的主站( 如：g t c o n 2 0 o o 就是如此) 。这种嵌入式的p l c 使得工业控制可以应用各个领域的先进技术，突破了 禁锢瓶颈，典型的软逻辑p l c 结构为a r m 嵌入l i n u x 然后安装p l c 解释程序。软p l c 的另外一个发展分支是，直接在微软的个人计算机操作系统上运行类似p l c 的软件， 而用计算机取代p l c 系统中的主站。运行软件p l c 的计算机可以充分应用计算机的开 放性接口和通讯速度，兼容性好。可以挂接板卡、u s b 设备、以太网设备、串行通讯设 备。比较典型的应用方案是：组态王软逻辑通过串行通讯( 现在也可用以太网) 挂接研 华的亚当模块。随着电子技术、通讯技术和软件技术的不断发展。这种构架将完全取代 p l c 和d c s 成为主流形式。但目前p c 机技术、操作系统和以太网还不能满足可靠性 要求。 目前，全世界约有p l c 生产厂家约2 0 0 家，生产3 0 0 多个品种。全球p l c 发运件 数1 9 9 8 年为1 4 5 6 万件，1 9 9 9 年为1 6 2 0 万件，2 0 0 0 年达到1 7 7 8 万件而且随着p l c 与i p c 、d c s 集成，p l c 逐渐成为占自动化装置及过程控制系统最大市场份额的产品。 2 0 0 0 年p l c 的销售额在控制市场份额中超过5 0 【l 】。在全球p l c 制造商中，根据美国 a n t o m a t i o nr e s e a r c hc o r p ( a r c ) 调查，世界p l c 领导厂家的五霸分别为：西门子公 司、a b 公司、施耐德公司、三菱公司、欧姆龙公司，他们的销售额约占全球总销售额 的三分之二【2 】。 总体来讲，p l c 的发展趋势主要表现在以下几个方面： l 、微型、小型p l c 功能明显增强 很多有名的p l c 厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的p l c 三菱的f x o s l 4 ( 8 个2 4 v d c 输入6 个继电器输出) ，其尺寸仅为5 8m m x 8 9r a n l ，而功能却有 所增强，使p l c 的应用领域扩大到远离工业控制的其他行业，如快餐厅、医院手术室、 旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。 2 、向开放性转变，编程语言多样化 传统p l c 存在严重的缺点，主要是p l c 的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的， 绝大多数的p l c 是专用总线、专用通信网络协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组 态、寻址、语文结构不一致，使各种p l c 互不兼容。国际电工协会( c ) 在1 9 9 3 年 颁布了i e c 6 1 1 3 1 3 c l k l i n5i o3 0 i n01 02 9 i nl1 02 8 i n31 02 7 i n41 02 6 i o01 02 5 1 0l1 02 4 1 021 02 3 1 031 02 2 i o41 02 1 1 051 02 0 i o61 01 9 1 071 01 8 i o81 01 7 1 091 01 6 1 01 01 01 5 i o 儿1 01 4 i o1 21 01 3 m 4 鄙3 2 3 210 j c 图3 5 m 4 a 53 2 3 2 1 0 i j c 芯片连线原理图 f i g 3 5c h i pc o n n e c t i o ns c h e m a t i co fm 4 a 53 2 3 2 1 0 j c i o 端口与控制器外围电路的输入接口对应关系如表3 1 ： 表3 1 控制器输入端与芯片引脚对应关系 t a b 3 1c o n t r o l l e ri n p u tr e l a t i o n s h i pw i t ht h ec h i p - p i n f o 端口与控制器外围电路的输出接口对应关系如表3 2 ： 表3 2 控制器输出端与芯片引脚对应关系 t a b 3 2c o n t r o l l e ro u t p u tr e l a t i o n s h i pw i t ht h ec h i p - p i n 3 4 驱动与隔离电路设计 干扰信号可以分为外部干扰和内部干扰。外部干扰主要来自于环境温度变化和静电 干扰；而内部干扰主要来自于电网工频信号干扰、系统由于多处接地而产生的电位差引 2 8 - 大连理工大学硕士学位论文 起的干扰、杂散电容引起的信号交叉串扰、电磁辐射引起的干扰以及共阻抗耦合引起的 干扰等【6 5 石7 】。 c p l d 与外围器件接口时，应考虑驱动能力，在中间添加驱动器件和隔离器件 6 8 】 以保护c p l d 不受损害。图3 6 是输入端t l p 5 2 1 - 4 芯片工作原理图示意图。r 1 为限流 电阻，其阻值决定了发光二极管的导通电流n ，n 一般为数毫安。r 1 7 的取值要保证输 出电压u 的高、低电平要求。光电耦合器件的一个重要参数是电流传输比c t r ，当输 入u i 为高电平时，须使r 1 7 堋，( i i * c t r ) 才能保证输出u o 为低电平。如果r 1 7 选 的太大，则输出u o 带动拉电流负载的能力减弱，光敏三极管的暗电流也会对u o 输出 高电平造成不利影响。因此，需要综合考虑各方面的因素来确定r 1 7 阻值。 奢 审 扭 摊 凝 器 薯： t 1 1 1 l n t 4 疆0 o e l n l t - l - 2枷(1 5 i l l p 1 z 2 r 2 3 l i 1 l i b h卜 1 疆o o t ：l z u t l 4 枷(1 3 i x p 2 l u 9 x 3 e 了t 1 2- l 卜 c 3 上 杠(i i p 34 i t o - 0 1 u 宁 l i 勉o z t 窟 一 ， t o 矗上l 枷(94 o 滞l 1 1 p 4 图3 6t l p 5 2 1 4 芯片工作原理示意图 f i g 3 6 s c h e m a t i cd i a g r a mo f w o r k i n gp r i n c i p l eo f t l p 5 2 1 - 4 当控制信号从c p l d 输出时，因光耦的驱动电流相对较大( 2 0 m a 左右) ，如果直接 从c p l d 输出来驱动，就会使c p l d 因电流太小而无法驱动，因此实际中采用三极管放 大电路来做光耦前一级的驱动。电路中的光电隔离器能有效地消除不同电路板之间的互 相干扰，图4 中的光电隔离器对信号具有反相作用，因此在控制输出端使用反相器来调 整信号的极性，而状态信号的采集则在软件中作了相应的延时和去抖动处理。 3 5 编程接口设计 c p l d 器件的编程应用计算机通过专用的编程电缆来完成，被编程的c p l d 器件插 在目标电路板上，编程电缆的端接在计算机的并行口，另一端接在目标电路板的编程 插座上【删。编程所需的5 v 电源由目标电路板提供，在计算机上执行下载软件，选择所 o一墨气_lq 引入c p l d 技术的新型工业控制器的研究与设计 需的j e d 文件后下载，即可完成对c p l d 器件的编程。表3 1 是编程电缆的8 针插头引 脚信号名。 表3 1 编程电缆8 针插头引脚信号名 ! 垒垒：i ：! ! ：p 垫p ! 旦量! 呈! 1 2l 翌2 量墅翌里垩垫量p 垫! i l ；呈坐! ! i 坚翌皇 接口名称说明图示 v c c t d o t d i e n a b l e n c 耶m s g n d t c k 电源 数据接收端 数据发送端 编程允许 悬空 j t a g 编程端口 信号地 时钟信号 电路板上编程接口电路图如图3 7 所示，采用8 针插座。 图3 7 编程接口电路示意图 f i g 3 7p r o g r a m m i n gi - t e f f a c eo i r c u i td i a g r a m 利用用户目标板上的单片机或微处理器对i s p 器件编程时【| 加l ，待编程的j e d 文件的 数据存储在目标板上的e p r o m 中，微机先从e p r o m 中读取出熔丝图数据( j e d 文件) ， 将其转换为串行数据流，各i s p 信号则由计算机地址译码或通过i o 口产生，然后编制 读写这些i o 口的程序。对i s p 器件的编程过程就是通过软件对这些i o 口读写的过程。 微机板编程的关键问题是保证各i s p 编程信号之间的的时序关系。在编程软件执行 期间，大多数硬件的定时要求都能自动得到满足，但i s p 的编程、校验和擦除指令的执 大连理工大学硕士学位论文 行时间相对较长( 4 0 - 2 0 0 m s ) ，因此必须通过软件调用硬件定时器来处理或通过软件延 时来保证编程时序的正常工作。 3 6 工作指示电路设计 在本控制器电路板上设计了工作指示电路，用来指示工作状态。当控制器接通电源 时，有5 v 电源和2 4 v 电源指示灯分别表示已接通两路直流电源，其中5 v 为红色贴片 发光二极管指示，2 4 v 为黄色贴片发光二极管指示。 当系统处于运行状态时，由芯片的3 0 引脚引出指示芯片处于工作状态的r u n 指示 灯，接到5 v 电源上，为绿色贴片发光二极管。图3 8 为控制系统工作指示电路电路图。 图3 8 控制器工作指示电路 f i g 3 8 c i r c u i tc o n l r o l l 盯i n s t r u c t i o n s 3 7 电源模块设计 本系统采用5 v 直流和2 4 v 直流双电源。在系统电路板上提供2 2 0 交流电，由电路 板给开关电源供电，再由开关电源输出5 v 和2 4 v 直流提供给系统电路板，设计的电路 简单明了，利于实验和应用。在输入端接有电容起滤波作用。图3 9 为控制器输入电源 电路图。 引入c p l d 技术的新型工业控制器的研究与设计 2 4 v g 图3 9 控制器电源电路图 f i g 3 9 c o n t r o l l e rp o w e rc i r c u i t 传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技 术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电 压小、使用可靠等优点，但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都大 的滤波器，其电源效率只有4 5 左右。开关电源是做为线性稳压电源的替代物出现的， 它因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定的特点而广泛应用于电子整机 与设备中。 开关电源是用半导体功率器件作为开关，并以某一频率开( 通) 、关( 断) 状态进 行电能变换，变换过程中采用自动控制闭环稳定输出量并具有保护环节的电能装置。目 前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合外，开关电源已经全面取代了线性稳压电 源，尤其是中小功率直流电源几乎全都采用开关电源。开关电源的高频化是电源技术发 展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入 更广泛的领域，特别是在高新技术产品的小型化、轻便化。本文采用的开关电源的开关 频率为8 0 k h z 。 3 8硬件设计电磁兼容与印刷电路板 3 8 1硬件设计电磁兼容问题 电磁兼容是一门新兴的综合性学科，它主要研究电磁干扰和抗干扰的问题。电磁兼 容性是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下，不因电磁干扰而降低性能指标，同 时它们本身产生的电磁辐射不大于检定的极限电平，不影响其它或系统的正常运行，并 达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠地工作的目的。而电磁环境电平 是受试设备或系统在不加电时，于规定的试验场地和时间内，存在于周围空间的辐射和 电网内传导信号及噪声的量值，这个电磁环境电平是由自然干扰源及人为干扰源的电磁 能量共同形成的。 电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之一，电磁兼容设计是实现设备或系统规 定的功能、使系统效能得以充分发挥的重要保证。必须在设备或系统功能设计的同时， 大连理工大学硕士学位论文 进行电磁兼容设计。电磁兼容设计的要求是使电子设备或系统满足电磁兼容标准的规 定、具有两方面的能力： ( 1 )能在预期的电磁环境中正常工作，无性能降低或故障； ( 2 ) 不会对其他系统或设备的正常工作产生影响，成为其电磁环境中的电磁污染 源。 不管复杂系统还是简单装置，任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件：首 先应该具有干扰源；其次有传播干扰能量的途径( 或通道) ；第三还必须有被干扰对象 ( 即：敏感设备) 的响应。所以控制干扰源的电磁辐射，切断或抑制电磁干扰的耦合通 道，提高敏感设备的抗干扰能力是电子设备和系统电磁兼容性设计的主要内容。 具体有以下几个方面的措施，用来实现电磁兼容性。 ( 1 ) 干扰电路 电子设备中的单元电路应设计和选用本身电磁能量辐射小、抗干扰能力强的线路形 式。小信号放大器应增大线性动态范围，提高电路的过载能力，减小非线性失真。 ( 2 ) 器件和电路的合理布局 将容易受到干扰的敏感元器件和单元电路尽可能地与干扰源远离；输出与输入端口 妥善隔离；高电平电缆与脉冲引线与低电平电缆分开排布。 ( 3 ) 正确的电磁屏蔽 用屏蔽体包封干扰源，可以防止干扰电磁辐射向外传播；用屏蔽体包封被干扰电路， 可以防止干扰电磁能量进入。电磁屏蔽虽然能够有效地切断近场感应和远场辐射等电磁 干扰的传播通道，但它会造成电子设备散热困难、维修不便、成本增加，应根据最佳费 效比进行设计。 ( 4 ) 良好的接地系统 设计低阻抗的地线，单元电路和设备的接地系统、电缆屏蔽层的接地、信号电路屏 蔽体的接地等的正确设计，并采用合理的阻隔地环路干扰的措施。 ( 5 ) 滤波技术的运用 滤波器的主要功能是将有用信号以外的信号能量进行抑制。借助于滤波器，可以显 著减弱干扰源和被干扰电路间的传导干扰电平。 3 8 2p c b 电路中常见的电磁干扰 要解决p c b 设计中的电磁兼容问题，首先应该了解p c b 中各种电磁干扰的产生机 理和传播途径，然后才能依此提出相应的解决方案。通常p c b 中存在的电磁干扰有： 传导干扰、串音干扰以及辐射干扰。产生干扰的根源是电路中电压或电流的变化【7 1 】。 ( 1 ) 传导干扰 传导干扰主要通过导线耦合及共模阻抗耦合来影响其它电路。例如噪音通过电源电 路进入某一系统，所有使用该电源的电路就会受到它的影响。图3 1 0 是噪音通过共模阻 引入c p l d 技术的新型工业控制器的研究与设计 抗耦合的示意图，电路1 与电路2 共同使用一根导线获取电源电压和接地回路，如果其 中一个电路的电压突然需要升高，那么另一电路必将因为共用电源以及两回路之间的阻 抗而降低。对于地回路也是如此嘲。 r 1 1 1 + 1 2 图3 1 0 共模阻抗耦合 f i g 3 1 0s y n t y p ei m p e d a n c 宅c o u p l i n g ( 2 ) 串音干扰 串音干扰是一个信号线路干扰另外邻近的信号路径。它通常发生在邻近的电路和导 体上，用电路和导体的互容和互感来表征。例如，p c b 上某一带状线上载有低电平信号， 当平行布线长度超过1 0 c m 时，就会产生串音干扰。由于串音可以由电场通过互容，磁 场通过互感引起，所以考虑p c b 带状线上的串音问题时，最主要的问题是确定电场( 互 容) 、磁场( 互感) 耦合哪个是主要的。当源和接收器阻抗乘积小于3 0 0 q2 时，耦合的 主要是磁场；当源和接收器阻抗乘积大于1 0 0 0q 2 时，耦合的主要是电场；当源和接收 器阻抗乘积在3 0 0 q2 和1 0 0 0 q2 之间时，则磁场或电场都可能成为主要耦合，这时取决 于线路间的配置和频率。 ( 3 ) 辐射干扰 辐射干扰是由于空间电磁波的辐射而引入的干扰。p c b 中的辐射干扰主要是电缆和 内部走线间的共模电流辐射干扰。当电磁波照射到传输线上时，将出现场到线的藕合问 题，沿线引起的分布小电压源可分解为共模( c m ) 和差模( d m ) 分量。共模电流指两 导线上振幅相差很小而相位相同的电流，差模电流则是两导线上振幅相等而相位相反的 电流。 3 8 3 设计中的抗电磁干扰措施 由于p c b 板上的电子器件密度越来越大，走线越来越窄，信号的频率越来越高， 不可避免地会引入e m c ( 电磁兼容) 和e m i ( 电磁干扰) 的问题。为了提高电路、电 子设备之间的抗干扰性能，对于印制板来说，还可采取以下有益的措施7 3 1 。 ( 1 ) 合理的电路布局 大连理工大学硕士学位论文 印制电路板上各种单元的相互位置直接影响电路的电磁兼容性，因此要根据单元电 路在使用中对电磁兼容性的敏感程度的不同进行分组。首先应对板上的元器件分组，目 的是对印制板上的空间进行分割，同组的放在一起，以便在空间上保证各组的元器件不 至于相互干扰。一般先按使用电源电压分组，再按数字与模拟、高速与低速以及电流大 小等进一步分组。不相容的器件要分开布置，具体来讲，可以将电路板分割为：电源电 路、数字电路、模拟电路、射频电路等几大部分。 ( 2 ) 地线的布置 对于印制电路板来讲，布置地线时首先考虑的问题是“分地，即根据不同的电源 电压、数字电路和模拟电路、高速电路和低速电路等分别设置地线。但分地并不是把各 种地完全隔离，而是在适当的位置仍需把不同的地短接起来，以保证整个地线的电连续 性。双面板的地线通常采用井字形网状结构，即一面安排成梳形结构地线，另一面安排 几条与之垂直的地线，交叉处用过孔连接。网状结构能减小信号电流的环路面积。地线 应尽可能地粗，以减小地线上的分布电感 ( 3 ) 电源线的布置 电源线布置应与地线结合起来考虑，以便构成特性阻抗尽可能小的供电线路。单面 板和双面板的供电线路是由印制板的轨线组成的，为减小供电用轨线对的特性阻抗，电 源轨线和地轨线应该尽可能粗，并且相互靠近，供电环路面积应该减小到最低程度，不 同电源的供电环路不要互相重叠。 ( 4 ) 信号线的布置 电路板上的各种信号线也是电磁兼容较敏感的部位，因此也要合理布置，一般遵循 以下原则【7 4 】： 不相容的信号线应相互隔离； 尽量减小信号环路的面积； 考虑阻抗匹配问题； 输入输出轨线在连接器端口处应加高频去耦电容。 3 9 本章小结 本章设计了以m 4 a 53 2 3 2 1 0 j c 为核心的新式可编程控制器，详细设计了输入电路、 输出电路、芯片引脚电路、驱动隔离电路、编程接口电路和电源模块，及电路设计中应 注意的电磁兼容问题。 引入c p l d 技术的新型工业控制器的研究与设计 4 系统软件平台设计 硬件描述语言( h d l ) 是相对于一般的计算机软件语言如c 、p a s c a l 而言的。h d l 是用于设计硬件电子系统的计算机语言，它描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接 方式。设计者可以利用h d l 程序来描述所希望的电路系统，规定其结构特征和电路的 行为方式；然后利用综合器和适配器将此程序变成能控制f p g a 和c p l d 内部结构、并 实现相应逻辑功能的门级或更底层的结构网表文件和下载文件。硬件描述语言具有以下 几个优点： ( 1 ) 设计技术齐全，方法灵活，支持广泛。 ( 2 ) 加快了硬件电路的设计周期，降低了硬件电路的设计难度。 ( 3 ) 采用系统早期仿真，在系统设计早期就可发现并排除存在的问题。 ( 4 ) 语言设计可与工艺技术无关。 ( 5 ) 语言标准，规范，易与共享和复用。 就f p g a 和c p l d 开发来说，v h d l 语言是最常用和流行的硬件描述语言之一。本 次设计选用的就是v h d l 语言，下面将主要对v h d l 语言进行介绍。 4 1 v h d l 语言简介 v h d l 是超高速集成电路硬件描述语言的英文字头缩写简称，其英文全名是v e r y h i g h - s p e e di n i e g r a t e dc i r e u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 。它是在7 0 8 0 年代中由美国 国防部资助的v h s i c ( 超高速集成电路) 项目开发的产品，诞生于1 9 8 2 年。1 9 8 7 年底， v h d l 被i e e e ( t h ei n s t i t u l e o re l e e t r i e a l a n de l e e t r o n i e se n g i n e e r s ) 确认为标准硬件描述 语言自i e e e 公布了v h d l 的标准版本( i e e es t d1 0 7 6 1 9 8 7 标准) 之后，各e d a 公 司相继推出了自己的v h d l 设计环境。此后，v h d l 在电子设计领域受到了广泛的接 受，并逐步取代了原有的非标准h d l 。1 9 9 3 年，i e e e 对v h d l 进行了修订，从更高的 抽象层次和系统描述能力上扩展v h d l 的内容，公布了新版本的v h d l ，即a n s f i e e e s t d1 0 7 6 - 1 9 9 3 版本。1 9 9 6 年i e e e l 0 7 6 3 成为v h d l 综合标准。 v h d l 主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，非常适用于可编程逻辑 芯片的应用设计。与其它的h d l 相比，v h d l 具有更强的行为描述能力，从而决定了 它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结 构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。就目前流行的e d a 工具和 v h d l 综合器而言，将基于抽象的行为描述风格的v h d l 程序综合成为具体的f p g a 和c p l d 等目标器件的网表文件己不成问题。 大连理工大学硕士学位论文 v h d l 语言在硬件设计领域的作用将与c 和c + + 在软件设计领域的作用一样，在大 规模数字系统的设计中，它将逐步取代如逻辑状态表和逻辑电路图等级别较低的繁琐的 硬件描述方法，而成为主要的硬件描述工具，它将成为数字系统设计领域中所有技术人 员必须掌握的一种语言。v h d l 和可编程逻辑器件的结合作为一种强有力的设计方式， 将为设计者的产品上市带来创纪录的速度。 图4 1 是采用v h d l 语言进行电路设计的开发步骤流程图。 图4 1 采用v h d l 语言进行电路设计的开发步骤流程图 f i g 4 1 v h d ll a n g u a g eu s e di nt h ed e v e l o p m e n to fc i r c u i td e s i g nf l o wc h a r ts t e p s 4 2 v h d l 语言设计步骤 利用v i - i d l 语言进行设计可分为以下几个步骤： ( 1 ) 设计要求的定义。在从事设计进行编写v h d l 代码之前，必须先对你的设计 目的和要求有一个明确的认识。对所需的信号建立时间、时钟输出时间、最大系统工作 频率、关键的路径等这些要求，要有一个明确的定义，这将有助于你的设计，然后再选 择适当的设计方式和相应的器件结构，进行设计的综合。 ( 2 ) 用v h d l 语言进行设计描述。( i ) 应决定设计方式，设计方式一般说来有 三种：自顶向下设计，自底向上设计，平坦式设计。前两种方式包括设计阶层的生成， 而后一种方式将描述的电路当作单模块电路来进行的。自顶向下的处理方式要求将你的 设计划分成不同的功能元件，每个元件具有专门定义的输入和输出，并执行专门的逻辑 功能。首先生成一个由各功能元件相互连接形成的顶层模块来做成一个网表，然后再设 计其中的各个元件。而自底向上的处理方法正好相反。平坦式设计则是指所有功能元件 均在同一层和同一图中详细进行的。( i i ) 编写设计代码。编写v h d l 语言的代码与编 引入c p l d 技术的新型工业控制器的研究与设计 写其它计算机程序语言的代码有很大的不同，你必须清醒地认识到你正在设计硬件，编 写的v h d l 代码必须能够综合到采用可编程逻辑器件来实现的数字逻辑之中。懂得e d a 工具中仿真软件和综合软件的大致工作过程，将有助于编写出优秀的代码。 ( 3 ) 用v h d l 仿真器对v h d l 原代码进行功能仿真。对于大型设计，采用v h d l 仿真软件对其进行仿真可以节省时间，可以在设计的早期阶段检测到设计中的错误，从 而进行修正，以便尽可能地减少对设计日程计划的影响。因为对于大型设计，其综合优 化、配置往往要花费好几个小时，在综合之前对原代码仿真，就可以大大减少设计重复 和修正错误的次数和时间。但对于小型设计，则往往不需要先对v h d l 原代码进行仿真， 即使做了，意义也不大。因为对于小型设计，其综合优化、配置花费的时间不多，而且 在综合优化之后，你往往会发现为了实现性能目标，将需要修改你的设计。在这种情况 下，用户事先在原代码仿真时所花费的时间是毫无意义的，因为一旦改变设计，还必须 重新再做仿真。 ( 4 ) 利用v h d l 综合优化软件对v h d l 原代码进行综合优化处理。选择目标器 件、输入约束条件后，v h d l 综合优化软件工具将对v h d l 原代码进行处理，产生一 个优化了的网络表，并可以进行粗略的时序仿真。综合优化软件工具大致的处理过程如 下：首先检测语法和语意错误；然后进行综合处理，对c p l d 器件而言，将得到一组工 艺专用逻辑方程，对f p g a 器件而言，将得到一个工艺专用网表；最后进行优化处理， 对c p l d 的优化通常包括将逻辑化简为乘积项的最小和式，降低任何给定的表达式所需 的逻辑块输入数，这些方程进一步通过器件专用优化来实现资源配置。对f p g a 的优化 通常也需要用乘积项的和式来表达逻辑，方程系统可基于器件专用资源和驱动优化目标 指引来实现因式分解，分解的因子可用来对实现的有效性进行评估，其准则可用来决定 是对方程系统进行不同的因式分解还是保持现有的因子。准则通常是指分享共同因子的 能力，即可以被暂存，以便于和任何新生成的因子相比较。 ( 5 ) 配置。将综合优化处理后得到的优化了的网络表，安放到前面选定的c p l d 或f p g a 目标器件之中，这一过程称为配置。在优化了的网络表配置到目标器件后，从 完成的版图上可以得到连线长短、宽窄的信息，把它们反注到原来的网络表上，为再次 进行时序仿真做准备。 ( 6 ) 配置后的时序仿真。这时的时序仿真将检查诸如信号建立时间、时钟到输出、 寄存器到寄存器的时延是否满足要求。因为已经得到实际连线引起的时延数据，所以仿 真结果能比较精确地预期未来芯片的实际性能。如果时延仿真结果不能满足设计的要 求，就需要重新对v h d l 原代码进行综合优化，并重新装配于新的器件之中，其间不乏 反复尝试各种综合优化过程和配置过程，或选择不同速度品质的器件。同时，也可以重 新观察和分析v h d l 原代码，以确认描述是正确有效的。只有这样，取得的综合优化和 配置的结果才符合你的实际要求。 大连理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 器件编程。在成功地完成了设计描述、综合优化、配置和配置后的时序仿真 之后，则可以对器件编程和继续进行系统设计的其它工作。 本设计采用l a t t i c e 公司的系统软件i s p l e v e r 进行程序设计，软件设计流程图 如图4 2 i s p l e v e r - 孑形弋卜 l 设讦输入编译仿真烧录蕴证i l 图4 2 软件设计流程图 f i g 4 2 s e l l - w a r ed e s i g nf l o wc h a r t 4 3c p l d 应用中v h d l 的优化设计 在c p l d 开发中，设计输入方法有原理图输入法、a b e l 或v h d l 语言输入法等， 采用的输入方法不同，设计的优化程度有所不同。一般而言，v h d l 语言输入法比原理 图输入法更灵活、有效，可移植性也好【1 7 5 l ，但一定要注意所用c p l d 器件的结构特点， 如触发器的类型( d 触发器和jk 触发器) 、可预置性能、清零方式等，否则设计的模 块可能要占用更多的硬件资源，难以充分利用器件内部所提供的硬件资源。采用v h d l 设计时，要注意设计的结构化、层次化和模块化，但更应注意优化设计，使芯片达到最 佳应用状态，而优化目标可能是：资源利用率、速度或功耗。 ( 1 ) 描述方法的优化 用v h d l 语言设计硬件电路时，描述方法会影响适配结果，即硬件资源利用率。 若较大的功能模块直接用v h d l 语言描述，有时会占用芯片过多的硬件资源，此时可 将大模块合理地分割为小模块，即改变项目设计的模块结构。l a t t i c c 公司的i s p l s l l 0 3 2 e 在构成8 位有预置功能的移位寄存器时，用直接描述其行为和用d 触发器作为元件来描 述，所用硬件资源差别很大。用d 触发器作为元件描述时，只需要2 个g l b 、8 个宏单 元和1 6 个积项，且左移寄存器和右移寄存器所用资源相同；若用v h d l 语言直接进行 行为描述时，则需要1 1 个g l b 、3 3 个宏单元和7 3 个积项，两者相差很大。将8 位移 位寄存器作为一个底层模块，用v h d l 语言直接进行行为描述时，其进程描述如下【7 6 】： p r o c e s s ( c l k ) b e g i n ( l