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1 引言

　　文中采用IP核复用方法和SOC技术基于AVR 8位微处理器AT90S1200IP Core设计专用PLC微处理器FSPLCSOC模块。

随着芯片集成程度的飞速提高，IC产业中形成了以片上系统SOC(System-on-Chip)技术为主的设计方式。一个电子系统或分系统可以完全集成在一个芯片上，同时IC设计能力和EDA工具却相对落后于半导体工艺技术的发展，两者之间日益加剧的差距已经成为SOC技术发展过程中一个突出的障碍。采用基于IP复用技术进行设计是减小这一差距惟一有效的途径，IP复用技术包括两个方面的内容:IP核生成和IP核复用。

2  IP核复用

　　IP核复用(IP Core Reuse)是指在集成电路设计过程中，通过继承、共享或购买所需的知识产权内核(第三方IP核)，然后再利用EDA工具进行设计、综合和验证。IP核是IP复用的载体和核心内容，基于应用需求、规范协议和行业标准的不同，IP核的内容也是千差万别的。在IC产业中，IP核被定义为用于ASIC， ASSP， PLD等芯片中，且预先定义好功能、经过验证的、可重复利用的电路功能模块，如PCI接口核、ADC核，FIR滤波器核、SDRAM控制器核等。根据IC设计层次的不同。IP核分为以下三类:软IP(Soft IP)、硬IP(Hard IP)，固IP (Firm IP)。文中主要涉及到软IP核设计和复用。软IP是可类比、综合的硬件描述语言(HDL)模型，通常是可综合的RTL模型，包括逻辑描述、网表和测试的文档(Testbench)。软IP设计周期短、投人少，与工艺无关，可灵活修改，在设计中只须对时序、面积和功耗进行修正，可复用性高。基于软核的设计(Soft Core-based design)是一种非常实用的SOC设计方法。它将系统的功能划分为不同的软核，包括微处理器、ALU、ROM、PC、ROM、I/0等。由于软IP核仅提供能够综合的HDL描述，因此复用前需要深人地了解HDL文件描述的RTL模型，采用适当工艺技术的标准单元库，再重新进行综合、布局布线、后仿真提取网表、验证时序等反复工作，后集成到SOC设计中，因此SOC设计即生成的IP核和第三方复用IP核集成整合。

3 FSPLC微处理器IP核设计

　　3.1 IP软核生成

　　文中基于AVR8位微处理器分析实际PLC梯形图及其指令表，设计逻辑处理器LP、布尔处理器BP、存储器位接口MBI等3个模块用于提高PLC执行速度，下面以逻辑处理器LP单元模块为例，描述IP软核生成。PLC梯形图包括8种基本电路:左分支触点LBC/非触点LBCN，右分支触点RBC/非触点RBCN， 双分支触点DBC/非触点DBCN，不分支触点NBC/不分支非触点NBCN。文中根据这8种基本电路设计一个16xl6触点矩阵电路，即逻辑处理器LP单元，矩阵中各个触点由电子电路模拟PLC梯形图基本电路。在任何一个触点上包括横线输入、竖线输入、引出输出线圈。触点矩阵中共有256个横线输入圈节点hi，240个竖线输入圈节点vi，256个输出线圈Io。当一行超过16时，转向下一行，以此构成矩阵电路，如hi[i]，vi[i]，lo[i]表示某个触点的横线输入、竖线输入、输出，那么其同行的下一个触点的横线输入、竖线输入、输出分别为hi[i+ 1]、vi[i+1]、lo[i+1]，其同列的下一个触点hi[i+16]、vi[i+16]、lo[i+16]，那么输出触点的表达式为

I0[i]=I0[i-1]hi[i]+vi[i-16]lo[i-16]+vi[i]lo[i+16-1]hi[ i+16] 。

逻辑处理器LP采用Verilog描述，借助Model-Sim进行功能仿真，验证模块功能的正确性。

　验证功能正确后，借助Synosys的综合工具Synplify Pro对模块进行综合。综合包括Compiling、Mapping、Optimization。综合时将经ModelSim。功能仿真验证的源代码调人Synplify Pro，执行Compiler，编译后，创建约束文件。sdc，编辑约束文件对模块添加约束条件，包括时钟、面积、扇人扇出、延时等，添加约束后执行综合，产生网表文件。EDF。根据综合后给出的。log文件观察Constraint文件中的约束条件是否满足需要，例如按照给出的“Worst Path Inbbbbation，修改约束以满足Worst Path的要求。综合完成后在 Ⅱ4。0展开网表文件，布局布线后编译形成。sof文件，将此文件下级到Alters Nios开发板进行验证，验证正确后再借助ModelSim进行时序验证。

　　3.2 AVRIP核复用

　　AVR8位微处理器AT90S1200IP核由opencores。org提供。整个微处理器IP核包括ALU、PC、SRAM、IR、ROM、I/0，控制等”个模块，可以分成3个单元；取指单元、执行单元和I/0单元。指令执行时，取指单元负责取出下一个指令，执行单元负责执行当前指令，而LO单元负资和外界的连接。取指单元和执行单元组成微处理器的CPU。

　　整个AVRIP核包括许多寄存器:指令寄存器、指令备份寄存器、程序计数器、通用寄存器、存储地址寄存器(MAR)，1/O口控制寄存器等。整个系统的工作就是基于这些寄存器之间的数据传输。设计所有的寄存器以及它们之间的组合逻辑及其连接就是系统的数据通道设计。控制模块决定怎样进行寄存器传愉。数据通道和控制单元组成了整个微处理器。

　　对于AT90S12001P核复用，考虑到IP核在SOC中集成整合，首先须彻底了解所复用核的架构和指令集，借助ModelSim进行功能仿真，建立Testbench平台测试波形验证功能的正确性，如图3所示。编译无误且功能正确后借助Synplify Pro对IP核饰代码进行逻辑综合，如果VHDL程序正确无误并且其编程风格符合Synplify Pro综合要求，Synplify Pro将产生一个网表文件(。EDF文件)，再借助A4。0和ModelSim分别进行FPGA验证和时序验证，此过程不断循环，直至复用的微处理器IP核没有任何错误。

4 FSPLC微处理器核SOC设计

　　4.1 SOC硬件结构

　　根据FSPLCSOC系统功能定义，设计完成FSPLC微处理器硬件结构，

FSPLCSOC由AT90S1200、布尔处理器BP、存储器位接口MBI、逻辑处理器LP，CAN总线1。0接口CBI、底板总线接口BBI等6个模块组成。AT90S1200模块是SOC的核心，实现PLC指令的执行；BP模块由两个位累加器和一个位逻辑堆浅BLS组成，该结构可以有效处理IEC61131-3(国际电工委员会制订的基于bbbbbbs编程语言标准)PLC指令表语句中复杂的嵌套逻辑运算，使运行频率高的位指令达到大的执行速度；存储器位接口模块由一个存储器位寻址接口逻辑和一个8选1选择器组成，为布尔处理器和数据存储器之间的位访间接口；CAN总线1。0接口CBI模块和外部基于Atmega8515的USB-CAN适配器相连，通过此适配器FSPLC可以和其他带有CAN接口的PLC实现CAN通讯；通过底板总线接口BBI模块可以在FSPLC片外扩展模块，多可以达到8个，包括I/0扩展模块、AID模块、D/A模块、计数模块等。其中AT90S1200，MBI，LP，CBI，BBI模块通过内部总线连接，BP通过MBI模块转换实现和其他模块的连接。

　　4.2 FSPLCSOC仿真、综合、验证

　　由于SOC设计是一种面向IP核集成的设计，整合后的SOC模块同第三方IP核复用一样需要进行模块的仿真、综合和验证。FSPLC SOC同复用AT90SI200核一样借助ModelSim进行功能仿真和验证后时序仿真，借助Synplify Pro进行综合。

　　下面具体描述FSPLCSOC的验证，SOC设计中包含了系统设计和模块设计，因此SOC验证一般包含了模块验证、芯片验证和系统验证三个部分。由于FSPLCSOC涉及到的主要是数字IP核，文中采用Altera NioslI开发板作为设计的验证平台，该开发板带有一个20多万门的Altera EP20K200EFC484-2的FPGA芯片、拨码开关、数码显示器等，用一个实际PLC应用程序在此开发板上对FSPLCSOC进行了可行性验证，同时通过对AVR编译器Avral。0的编译代码变量中增加PLC指令代码，使之能够对PL(:指令进行编译。图5，图6分别为PLC控制程序的梯形图及其汇编程序。

开发板的拨码开关SWl的1、2、3、4来模拟上述开关的闭合，观察数码显示器Dl数码段明暗，验证设计的可行性。FSPLCSOC在Altera Nios开发板的FPGA芯片上进行了可行性验证，获得了理想的运行效果:在33MHz晶振下，执行基本逻辑指令速度为0。09μ/条，达到了国际上大中型PLC的处理速度。

5 结束语

　　目前IC产业中，SOC已成为主要的集成电路设计方法8位RISC微处理器芯片设计正在向SOC化发展，通过IP核复用方法以缩短周期、降低成本、提高效率。文中基于IP核复用和SOC技术借助ModelSim、Synplify Pro、Ⅱ等EDA软件设计了拥有自主知识产权的专用PLC微处理器SOC模块FSPLC，在复用了第三方AVRAT90SI200IP核基础上集成了自行设计的LP、BP、MBI、CBI、BBI等模块，具有快速处理PLC梯形图程序、快速处理IL语句表中复杂的嵌套逻辑运算、PLC之间CAN总线通讯等优点。后采用Altera NiosII作为验证平台，对实际的PLC应用程序做了可行性验证，获得了理想的效果。

 随着我国公路建设事业的高速发展，工程建设对施工设备的质量有了更高的要求。由于摊铺机是边走边作业的施工机械，其行驶速度稳定性和行驶的直线性对摊铺路面的平整度、初始密实度、离析程度有着很大的影响，因此行走控制系统的性能是影响摊铺机作业性能的重要因素，在很大程度上决定着摊铺质量的好坏。
    目前摊铺机行走系统控制方法主要采用PID控制。PID控制由于算法简单，鲁棒性好，可靠性高，在控制系统中得到了广泛的应用。但PID控制依赖被控对象的jingque数学模型，由于摊铺机液压伺服系统多为非线性、时变复杂系统，参数变化大，PID参数确定困难。若单纯采用固参数的常规PID控制则不能满足在不同偏差下系统对PTD参数自整定的要求，控制器对运行工况的适应性差，从而影响其控制效果。模糊控制不依赖于被控制对象jingque的数学模型，动态性能好、受系统参数变化的影响小，但稳态精度不高。采用模糊PID控制器并引入左右履带里程差关联的方法，既有模糊控制灵活、适应性强的优点，又有PID控制精度高的特点，同时引入左右履带的里程差方法，提高了摊铺机的行走控制效果。
1 摊铺机行走控制系统
    沥青混凝土摊铺机普遍采用双泵-双马达系统，液压系统左右两侧为独立的行驶驱动液压回路。通过对左右两侧独立的泵和液压马达进行控制，实现摊铺机的前进／后退、左右转向及原地转向等动作控制，实现无级变速，达到恒速控制的目的。图1所示为摊铺机行走系统的控制框图。控制器的核心是控制变量泵比例电磁阀Y1、Y2、Y3、Y4，通过脉宽调制(PWM)调节比例电磁阀的电流控制泵的排量实现控制左右履带的行驶速度。通过比例电磁阀不同的组合方式，可以实现摊铺机的前进、后退及转向动作。通过马达换向阀控制Y5、Y6进行马达高低速转换，实现摊铺机行走／摊铺两种工作模式。

Rs、Rh、Rt分别为大行驶速度电位器、驱动手柄电位器和转向电位器。Kt为原地转向按钮，Ks为紧急制动按钮，Kp为行走／摊铺二位开关，在“摊铺”位时，为了实现恒速和直线控制，利用速度传感器V1和V2将行驶速度反馈至输入端，行驶控制采用闭环模式。

2 控制器设计
    从上面分析知道，摊铺机行走系统的控制都归结到对变量泵比例电磁阀控制。本文采用脉宽调制的方式，PWM频率定为100Hz，为了在纠偏的同时提高恒速控制的性能，本文采用模糊PID控制。
2．1 常规PID控制
    PID控制算法是利用偏差信号，采用比例、积分、微分三个基本环节对系统进行调节。为了在单片机上实现PID控制算法。PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法，使模拟PID离散化变为差分方程。

 本文采用增量式PID控制算法以提高控制性能。在进行软件编程前，必须对Kp、Ki、Kd进行初始化，因此应对PID参数进行预整定。PID参数的整定比较成熟的方法有临界灵敏度法、扩充响应曲线法、Z-N法等等。本文利用Z-N法确定了一组PID参数Kp、Ki、Kd分别为0．4、0．0 3、0．2。实际应用中可结合具体情况反复整定并进行实验，确定一组较满意的控制参数。
2．2 自适应模糊PID控制
2．2．1 模糊PID控制器的结构
    自适应模糊PID控制器是以误差e和误差变化率ec作为输入，可以满足不同时刻误差e和误差变化率ec对PID参数整定的要求。利用模糊控制规则对PID参数进行整定，便构成了自适应模糊PID控制器。

  PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与误差e(k)和误差变化率ec(k)之间的模糊关系，在运行中通过不断检测，根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改，以满足不同e(k)和ec(k)对控制参数的不同要求，从而使被控对象有良好的动态、静态性能。PID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用及相互之间的关系。
2．2．2 模糊控制规则设计
    选择E与EC作为摊铺机行驶速度偏差e及速度偏差变化率ec的输入语青变量，输出语言变量选择KP、KI、KD，也就是参数Kp、Ki、Kd相应的语言变量。利用{负大、负小、零、正小、正大}={NB、NS、ZE、PS、PB}五个模糊状态描述语言变量E、EC、KP、KI、KD。
    我国沥青混凝土摊铺机作业摊铺速度一般情况下≤6m／min，此处确定速度偏差e的基本域为[-0．6，0．6]，利用扩充响应曲线法求出的PID整定参数可以确定Kp、Ki、Kd的大致变化范围，Kp变化范围为[0．2，0．8]，Ki变化范围为[0．01，0．07]，Kd变化范围为[0．2，0．6](根据控制周期的不同，PID控制参数的取值范围就会不同)。

 模糊自整定PID是在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差e和误差变化率ec，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。

 根据上述模糊控制规则，应用模糊推理的合成规则离线计算出模糊控制器的输出，也就是PID参数Kp、Ki和Kd的校正量△Kp、△Ki和△Kd，得到△Kp、△Ki和△Kd的查询表。实时控制时，首先根据e和ec的量化值直接从离线获得的查询表中查出校正量△Kp、△Ki和△Kd的量化值，再通过解模糊处理，得到△Kp、△Ki和△Kd的jingque值，后把它们和PID参数的基值Kp0、Ki0和Kd0按式(5)分别相加，得到在该状态下对电磁阀实施控制所对应的优参数Kp、Ki和Kd，然后按PID控制算法继续进行运算及控制。
    Kp=Kp0+△Kp
    Ki=Ki0+△Ki       (5)
    Kd=Kd0+△Kd
    在运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的自校正。
3 左右履带里程差控制策略
    本文采用模糊PID控制，同时引入左有履带里程差纠偏环。将左马达的速度作为反馈值与左马达的设定速度值进行比较，同时将右马达的速度值作为反馈值与有马达的设定速度值进行比较，分别通过模糊PID调节器独立控制左右马达的转速，使其与设定值相同，这是控制的核心部分。再将左、右履带行驶里程的差值作为反馈值并以追踪零为目标通过比例调节器形成控制量，对其中一个马达的速度设定做调整，形成纠偏环，这是控制的辅助部分。

4 现场测试
4．1 现场测试
    将此纠偏控制算法应用于新筑公司MT12000型摊铺机的行走系统控制中，将发动机转速设定为2200r／min进行控制效果测试。

测试方法：每项测试距离为履带长度的2-5倍(即17米-42．5米)，发动机工作在额定转速，在摊铺机两侧的机架及相邻履带设定试验的起始基准，启动发动机，转向控制器置于零位，使摊铺机按某一作业速度向前直线行驶，到达终点后停机，分别测量左右距离差的值，来计算相对的跑偏量。

利用此纠偏控制算法使MT12000型摊铺机的直线度跑偏量控制在0．4％以内，大大提高了摊铺机的行驶直线度性能，改善了摊铺机的整体控制效果。
5 结束语
    沥青混凝土摊铺机行驶系统的直线度性能的提升是改善路面施工质量的重要途径之一，单纯依靠模糊PID控制可以提高机器的行驶恒速性能，但难以保证左右履带行程的一致性，从而无法确保机器的行驶直线度。本文探讨了在模糊PID控制的基础上加上左右里程关联的方法，并将其应用在摊铺机的行驶系统控制中，用以提高摊铺机的直线行驶效果。对比测试结果表明，用此纠偏控制算法获取的直线行走效果在原有控制效果的基础上提高了0．5％左右，在很大程度上提升了摊铺机的直线行驶性能。