摘 要： 對CPLD" title="CPLD">CPLD在可編程邏輯控制系統中的可行性和應用優勢進行了分析，提出了一種基于CPLD的新的可編程邏輯控制系統設計方法，并給出了一個設計實例。
關鍵詞： CPLD 可編程邏輯控制系統 PLC
可編程邏輯控制器PLC" title="PLC">PLC(Programmable Logic Controller)以體積小、編程靈活、功能強大、使用方便等特點在工業自動化領域得到了廣泛應用。
目前流行的PLC普遍以微處理器芯片為核心，配以必要的存儲器和I/O接口，通過編寫和運行程序實現對各種I/O信號的邏輯控制。以下將這類PLC簡稱為程控式PLC。程控式PLC在運行過程中，其CPU與各設備之間的信息交換、用戶程序的執行、信號采集、控制量的輸出等操作都是按照固定的順序以循環掃描的方式進行，每個循環都要對所有功能進行查詢、判斷和操作。這種順序和格式不能人為改變。在一個周期內，CPU對整個用戶程序只執行一遍。這種機制雖然方便，但實時性差。過長的掃描時間，直接影響系統對信號響應的效果。在保證控制功能的前提下，最大限度地縮短CPU的周期掃描時間是一個很復雜的問題，一般只能從用戶程序執行時間最短方面采取措施。例如，為了提高實時響應速度，可采用中斷方式處理輸入信號。但是微處理器響應中斷的過程也需要花費一定的機器周期，響應時間通常為幾十微秒至幾百微秒，如果加上中斷處理程序的執行時間，則到最終輸出響應信號所需的時間甚至可達幾毫秒。程控式PLC的這種響應特性使它不能滿足實時響應速度要求較高的應用系統。
為了克服程控式PLC輸出響應速度慢的缺點，本文對現場可編程邏輯門陣列CPLD(Complex Programmable Logic Device)在PLC控制系統中的可行性和應用優勢進行了分析，提出了一種新的基于CPLD的可編程邏輯控制系統的設計與實現方法。
1 CPLD在可編程邏輯控制系統中應用的優勢
CPLD具有體系結構和邏輯單元靈活、高集成度、高速度、標準化、低成本、設計方便、可反復編程并可現場模擬調試驗證等特點。這些特點都使CPLD適于作為可編程邏輯控制系統的核心控制部件。
此外，CPLD很重要的一個特點是在對輸入輸出信號進行邏輯控制時，不需要執行指令和程序，不需要執行掃描循環，沒有“指令周期”概念，輸入信號僅通過CPLD芯片內硬件邏輯門陣列的不同組合來控制輸出信號，系統對輸入信號的響應時間僅取決于門陣列的傳輸延時。CPLD允許使用高達數百兆赫茲的全局時鐘信號驅動，因此其響應時間僅為數十納秒。這相對于程控式PLC來說具有顯著的優勢。
2 基于CPLD的可編程邏輯控制器結構
基于CPLD的可編程邏輯控制器結構如圖1所示。它具有與程控式PLC相同的輸入輸出電路，但控制器的核心采用CPLD芯片，用來實現對輸入/輸出信號的邏輯控制，取代了程控PLC中的微處理器、存儲器及控制程序。用戶可在電腦上方便地通過集成開發軟件修改控制邏輯，并可隨時通過JTAG接口將修改后產生的編程文件(其作用相當于程控PLC中的用戶程序)下載到CPLD芯片中。
輸入接口電路的作用主要是將各種現場輸入信號轉換為+5V邏輯信號，經過光電隔離后送給CPLD處理。
輸出接口電路的作用是將CPLD的輸出控制信號經過光電隔離和驅動，以繼電器方式或晶體管方式提供給系統的執行電路。
3 基于CPLD的可編程邏輯控制系統的設計方法
用CPLD設計可編程邏輯控制系統的內容包括控制系統硬件設計和CPLD控制邏輯設計兩部分。系統硬件由PLC控制器、外部信號輸入電路和輸出執行電路構成。系統總體結構與程控式PLC控制系統相同，僅控制器核心部分不同。CPLD控制邏輯用VHDL語言或邏輯原理圖實現程控式PLC控制系統中階梯圖的功能，這一工作可利用多種專用的集成開發軟件完成，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設計可編程邏輯控制系統的流程如圖2所示。
首先根據系統邏輯控制功能的需要進行設計輸入，實現類似PLC階梯圖的功能。通?？刹捎脙煞N設計輸入方法，即邏輯原理圖法和VHDL語言編程法。邏輯原理圖法是一種圖形化的設計輸入方法，具有直觀易懂的特點，有許多現成的庫元件可直接調用，用戶還可以向庫中自主加入新元件。當設計的系統較為復雜時，可采用層次化設計，使用十分方便。VHDL語言編程法具有多層次描述系統硬件功能的能力，具有豐富的庫函數和仿真語句，可隨時對設計進行仿真模擬，在設計早期就能查驗設計的功能可行性。
設計輸入完成后，立即可用集成開發軟件的仿真功能進行模擬仿真，查驗設計系統的功能和時序，確保設計的正確性和可靠性。
設計校驗通過后，需要將設計輸入文件編譯成針對具體CPLD芯片的編程數據文件。在編譯時，還可對各I/O引腳進行重新分配和指定。
將編譯后產生的編程文件下載到CPLD芯片中，就可進行實際的現場試運行調試了。由于控制邏輯已經過軟件仿真，因此現場調試的工作量和調試時間都將大大減少。編程文件的下載既可采用便攜式電腦與下載電纜完成，也可通過計算機網絡遠程下載。
4 設計實例
下面以一個最簡單的帶自保持的啟動/停止控制為例說明具體的設計方法。本例中，描述邏輯控制功能的階梯圖如圖3所示。
其中：x1為啟動信號，x2為停止信號，y1為輸出控制信號，x1、x2和y1都是高電平有效；reset為CPLD芯片的上電復位信號，低電平有效。采用VHDL語言編程如下：
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=′0′) THEN y1<=′0′；
ELSE
y1<=(x1 OR y1)AND (NOT x2)；
END IF；
END PROCESS；
END ladder；
利用MAX+PLUS II的定時仿真工具對以上程序仿真，結果如圖4所示。
本示例用VHDL語言初步實現了程控PLC中的階梯圖的邏輯控制功能。雖然本例只采用了一個簡單的梯形圖，但復雜的梯形圖也完全可以通過VHDL語言編程實現。本例所采用的CPLD芯片的速度等級為10ns，由圖4可見，從x1信號開始有效到y1產生有效輸出信號，輸出響應時間僅為10ns，這與程控式PLC微秒級的輸出響應時間相比具有顯著優勢。如果采用速度等級更高的CPLD芯片，則可進一步擴大速度優勢。
對CPLD在可編程邏輯控制系統應用的優勢分析與設計實例的結果表明，CPLD可以很好地應用于可編程邏輯控制系統的設計中，基于CPLD的可編程邏輯控制系統具有響應速度快、實時性好等優點，可應用于對實時性要求很高的系統控制中。如果能提高設計輸入的效率，該設計方法將會得到更為廣泛的應用。
參考文獻
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