西门子陇南PLC模块代理商

：目前利用FPGA设计高性能的嵌入式处理器已经成为SOC设计的重要部分，对一种基于FPGA芯片的嵌入式PLC处理器进行了研究和设计，并采用了基于VHDL语言的自顶向下的模块化设计方法，顶层设计使用原理图输入。后用进行仿真，给出了主要仿真结果。实验表明，该处理器能准确且快速的响应嵌入式PLC的逻辑指令，且较传统的PLC处理器更灵活，集成度更高。  

0 前言  

现场可编程门阵列(FPGA)是近几年来出现并被广泛应用的大规模集成电路器件，它的特点是直接面向用户，具有极大的灵活性和通用性使用方便，硬件测试和实现快捷，开发效率高，成本低，上市时间短，技术维护简单，工作可靠性好等。  

硬件描述语言(VHDL)是用来描述硬件电路的功能，信号连接关系及时序关系的硬件编程语言，设计者可根据VHDL语言法则，对系统的逻辑进行行为描述，然后通过综合工具进行电路结构的综合、编译、优化，用仿真工具进行逻辑功能仿真和系统时序仿真，可在短时间内设计出高效、稳定、符合设计要求的大规模或超大规模的集成电路。  

该处理器采用了TOP—DOWN的层次网络模块化设计方法，用VHDL描述了嵌入式PLC的CPU的主要逻辑功能，考虑到嵌入式CPU结构的复杂性和设计的可扩展性，在顶层设计中采用了原理图的方法，通过VHDL对每个单元模块进行了仿真和综合，然后将综合生成的各个模块连接起来，组成了一个整体  

1 系统设计  

1．1 系统的功能  

该PLC主要是用来与DSP共同实现数控机床中的部分操作，它主要执行一些辅助的逻辑控制。它的主要任务如下：  

(1)接收从DSP发送过来的指令字，并将其进行译码转换成相应的命令信号，从而执行相应的操作；(2)接收操作面板上的按键信号，并响应相应的操作；(3)给DSP发送应答信号以及状态信息；(4)将处理的结果输出到面板上以驱动相应的继电器。  

1．2 系统的组成部分  

该系统的核心组成部分是由控制器、运算器以及I／0端口构成，如图1所示。  

控制器：控制器是由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等组成，它是发布命令的“决策机构”。运算器：运算器由算术逻辑单元、暂存器以及数据缓冲器等组成，它是数据的加工处理部件。  

I／0端口该PLC的I／O点数为l0点输入和8点输出。每个端口由输入寄存器以及相应的端口控制部分组成。  

2 系统的FPGA实现  

2．1 控制器  

控制器的形式主要有组合逻辑控制器和微程序控制器两种，与组合逻辑控制器相比较，微程序控制器具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点 ，在计算机的设计中使用比较普遍，本控制器的设计采用的也是微程序控制器。微程序控制的基本思想，就是仿照通常的解题程序的方法，把操作控制信号编成所谓的“微指令”，存放到一个只读存储器里。当机器运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规定的操作 。  

微程序控制器主要由控制存储器(CM)，微地址产生逻辑，微地址寄存器(uAR)，微指令寄存器(ulR)等组成。  

(1)机器指令与微程序。该处理器选取了PLC指令系统中的十条基本指令如表1所示，指令采用十位二进制编码格式。  

第9～6位是四位指令的操作码字段；第5位是标志位，用来判断该指令有无操作数(1一有操作数，0一无操作数)；第4～0位是操作数字段。  

表中每条机器指令对应一段微程序，一段微程序包含若干条微指令，微程序的设计就具体地可落实到微指令的设计 ，微指令中的控制字段作为控制命令控制计算机的操作，控制字段给出的微命令应包含计算机操作的所有微命令，对微命令给出和表示的方法与所采用的编码方式有关，常用的微命令表示方法有直接表示法、编码表示法、和混合表示法，该设计采用的是将直接表示法和编码表示法混合使用的混合表示法。  

该系统中的每条微指令为32位，其中低5位为下地址字段，直接送给微地址寄存器，第5～7位为测试字段，送到微地址产生逻辑电路里面以控制微地址的产生，其余位为用来产生各种微命令的控制字段。  

(2)控制存储器。控制存储器中存放的是各指令所对应的微程序，它可以用FPGA中的LPM—ROM模块来实现，如图2所示。Clock为同步时钟信号，address为5位的地址值，q为32位的微指令，当clock上升沿到来时，rom就把address所对应的地址中的值输出给q。  

(3)微地址产生逻辑。微地址产生逻辑主要是根据微指令中的测试位及其他相关的条件来控制微地址的产生，它是根据一定的逻辑功能用VHDL语言编写的，并且经过编译和综合后生成的模块，如图3所示。  

其中，clk为同步时钟信号，rst为复位信号，q为输出的5位微地址值。其控制流程如下：  

(1)系统启动时，给出一个rst=1的复位信号，q端便输出“00010”，为输入扫描微程序的入口地址；(2)对应的微指令就从控存中输出，然后该微指令中的5位下地址字段直接输入到din端，3位测试位输入到m端；(3)如果m=“000”，则q端输出的地址值直接加1，且返回(2)继续执行；否则，执行下一步；(4)如果m=“001”，则看i端输入的用户程序指令来判断是否需要取数操作，如果需要，则q端输出各个取数微程序的入口地址；如果不需要，则q端根据i的操作码输出相应指令的微程序入口地址，且返回(2)继续执行；否则，执行下一步；(5)如果m=“010”，q端直接输出din的地址值，且返回(2)继续执行；否则，执行下一步；(6)如果m=“011”，则q端根据i的操作码输出相应指令的微程序人口地址，且返回(2)继续执行。  

2．2 运算器  

运算器是用来对输入的数据进行算术和逻辑运算的部件 ，该ALU具有三输入和两输出，d1和d2是参与逻辑运算的两个位数据，其中dl来自外部的取数，d2来自输出暂存器s，sel是指令的操作码。result是运算后的结果，输出后送给了暂存器S，q用来启动定时器，如图4所示。  

2 3 RAM 图4 运算器原理图  

RAM用来存储用户程序，它可以用FPGA中的LPM—RAM—DQ模块来实现。其中，wren是读写控制端，当wren=0时为读允许，这时在同步时钟clock的上升到来时沿将address所对应的地址中的内容给输出端q；当wren=1时为写允许，这时在同步时钟clock的上升沿到来时将data端的数据写入到address所指明的地址中，如图5所示。  

3 仿真与分析  

为了测试指令的运行情况，本文在后给出了一段基于 II的程序仿真。  

仿真时给出了10位输入数据indata=”1 1 10000101”，10．0～10．4分别对应着该数据的第0位～第4位，同样QO．o和Qo．1分别对应着输出端子的第。位和第1位。  

仿真结果的图6中：T1，T2，T3，T4为4个时钟节拍信号，out0和out1分别对应着输出端子Qo．o和Qo．1，因为IO．o和IO．2为1，IO．3和IO．4都为o，因此程序运行的后结果应该是QO．o和Q0．1都为1，并且从图6可以看出，仿真结果与此相同，程序运行正确，说明所设计的微处理器及其指令正确可靠。  

4 结束语  

本文所设计的PLC微处理器具有很强的可修改性和可移植性，并且优化升级也很方便，可以根据特定的需要方便地增删指令和I／O端口的数量，这比传统的PLC具有更大的灵活性。另外，由于FPGA具有很高的密度，能够集成很大的系统 ，因而极大地提高了系统的可靠性。

引言  

热封制袋普遍应用在产品包装、食品药品包装等领域。因其快速不污染被包物且节省成本而得到快速发展。本文针对热封中出现的不足，采用松下Fp0-32 位可编程逻辑控制器的数控技术对热封机生产工序进行jingque设计，在不同外界环境下，制定出合理的热封温度、压力和时间的上下限。终开发出更高效、更合理的热封方法。  

1.数控热封机平台的技术简介  

1.1 热封技术简介  

所谓热封，就是利用外界的各种条件（如电加热、高频电压及超声波等）使塑料薄膜封口部位受热变为粘流状态，并借助一定压力，使两层薄膜熔合为一体，冷却后保持一定强度和密封性能，保证商品在包装、运输、贮存和消费过程中能承受一定的外力，保证商品不开裂、泄漏、达到保护商品的目的。  

1.1.1 影响热封的因素  

（1）热封温度：其作用是使粘合膜层加热到一个比较理想的粘流状态。高聚物的粘流温度及分解温度是热封的下限和上限，这两个温度的差值大小是衡量材料热封难易的重要因素。  

（2）热封压力：其作用是使已处于粘流状态的薄膜在封口界面间产生有效的高分子链段相互渗透、扩散现象，也使高分子间距离接近到可以产生分子间作用力的结果。热封压力过低，可能造成热封不牢；压力过高，可能使粘流态的部分有效链段被挤出，造成热封部位半切断状态，导致拉丝。  

（3）热封时间：是指薄膜停留在封刀下的时间，热封时间决定了热封温度、压力以及设备的生产效率。  

1.2PLC 技术简介  

可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。  

1.2.1PLC 特点  

PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。  

1.2.2PLC 的应用领域  

目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制 、过程控制、数据处理、通信及联网等。[1]  

2.数控热封机平台的系统设计  

该仪器外部主要有水密封性极好，耐压强度高的壳体组成，电控部分由两台电动机和一台带有刹车功能的电动机，一个温度传感器、稳压电源和具有数据采集/存储功能的单片机，其主程序控制流程图如下图1所示,PLC的I/O分配图如图2所示。  

图1 主程序控制流程图  

图 2PLC 的I/O 分配图  

PLC 编程过程中所有可利用的元器件中无非包括这样三类设备：输入器件、输出器件以及一些内部器件，每一类器件每一位上的状态只有两种： 1 或 0。本系统中采用接近开  

关控制热封机夹袋到位和松开到位，当接近开关xx=1 时，程序中对应的逻辑开关接通，代表热封机夹袋到位，反之或松开到位。通过定时器控制热封时间或热切时间，当定时器TX=1时，代表X 定时器计时启动，热封或热切开始，计时结束时TX=0。  

3 数控热封机平台实现的技术  

3.1 内部辅助继电器标识法  

本系统采用状态编程的思想进行顺序控制的程序设计，借助于可编程控制器内部的辅助继电器作为“过渡性”元件来实现的状态标识，设计整个热封机的数控工序，这就是我们采用的内部辅助继电器标识法，同时我们采用松下GVWIN2.1 触摸屏开发软件，将内部辅助继电器的状态在屏幕进行显示，并可以进行合理修改，代替过去常常采用的二极管或三极管的硬件标识方法，使系统更加直观方便，提高了系统的健壮性。  

在PLC 运行过程中，程序监视触点的通断，只取决于其内部辅助继电器线圈的状态，并不直接识别外部设备，每个辅助继电器不仅可以存储一个输入设备的状态，同时还标识了一个输出设备的状态，并将其状态显示在GVWIN2.1 触摸屏上，以jingque跟踪程序的运行，并将各继电器的数据存储于指定的存储器中，为将来的维护提供有利的数据。热封机的数控设计内部辅助继电器标识法的部分状态表如表1 所示。[3]  

表 1 内部辅助继电器标识法的状态表  

3.2 数据采集技术  

在热封机的数控设计中，我们采用常用的热压封合法。对于生产过程中较容易出现的问题，多的原因是热封前对热封参数设置的不合理。针对热封工艺的三大因素：热封温度、压力、时间，其中主要的是温度，而热封温度又取决于热封的时间，对电阻丝加热时间的参数就相当重要，同时考虑到外界环境的不同，选取合理的电阻丝加热时间，并合理得根据电阻丝余热进行合理的调整，我们开发了以微处理器为中心的数据采集程序。  

3.2.1 硬件设计我们采用温度传感器、稳压电源和具有数据采集/存储功能的89C51 单片机，系统由扩展一片程序存储器2764，74LS373 作锁存，一片数据存储器6264，A/D 转换，扩展I/O 口等组成。数据采集硬件结构图如图3 所示。  

图3 数据采集硬件结构图  

3.2.2 软件设计  

我们开发的以微处理器为中心的数据采集程序，在不同的环境下，严格控制热封刀加热时间，以达到合理的热封效果。同时针对电阻丝连续工作的余热，以及将来数控系统的维修，监控等因素，我们采用松下GVWIN2.1 触摸屏开发软件，将数热封温度、压力、时间、内部辅助继电器状态在屏幕进行显示，并做适当修改。使系统更加直观方便。下面附上从温度传感器读出温度值的子程序。[4]  

4．结语  

本文提出了基于内部辅助继电器状态标识法的热封机数控设计，并开发出一套以微处理器为中心，在不同环境下，制定出合理的热封温度、压力和时间的上下限的数据采集程序，并将其状态显示在GVWIN2.1触摸屏上，做适当修改，具有可靠性高、适应性强、热封牢固等优点。目前该系统已投入实验并且运行情况良好，在使用过程中大大提高了热封的工作效率和强度，大大避免了热封中漏封、虚封、封漏、粘封刀、拉丝、封口破裂、热封强度差等情况。  

本文作者创新点:  

1.提出了基于内部辅助继电器状态标识法的热封机数控设计  

2.开发出一套以微处理器为中心，在不同环境下，制定出合理的热封温度、压力和时间的上下限的数据采集程序  

3.基于PLC技术控制热封机，有效的避免了热封过程中的漏封、虚封、封漏、粘封刀、拉丝、封口破裂、热封强度差等情况