一种FPGA+8051系统控制器

摘要

本发明提供的一种FPGA+8051系统控制器；包括电源模块、FPGA系统模块、AD转换模块、输入隔离变换模块、输出隔离驱动模块、8051单片机系统、网络通讯接口模块；采用FPGA+8051控制模块替代PLC的目的：使用成熟的FPGA+8051架构方式，实现逻辑控制和网络通信控制；通过提高元器件质量等级、电路设计复核复算，并进行了降额设计，保证元器件使用Ⅰ级降额，提高控制器的工作的可靠性；可以对内部电路清晰了解，使产品出现故障后能快速的定位并进行排除；产品供电方式、机械接口与PLC一致，在PLC停产或更新升级之后，利用FPGA+8051控制模块可以完全替代。

权利要求

1.一种FPGA+8051系统控制器，其特征在于：包括电源模块、FPGA系统模块、AD转换模块、输入隔离变换模块、输出隔离驱动模块、8051单片机系统、网络通讯接口模块；

所述电源模块将外部输入的直流电源转化为FPGA系统模块的供电信号；

所述FPGA系统模块外部时钟信号，时钟信号通过FPGA内部系统模块分频或倍频处理后，生成FPGA内各模块的时钟信号，FPGA输出控制AD模块的控制信号，并将该AD 模块的控制信号 输入FPGA内部进行处理，并通过控制DA模块输出相应的电流信号；

所述输入隔离变换模块、输出隔离驱动模块将I/O信号转换为低速I/O数字信号和高速数字脉冲信号；

所述8051单片机系统通过控制网络通讯接口模块实现以太网通讯，接收上位机信号；

所述电源模块一级电源转化模块和二级电源转换模块，一级电源转化模块将外部输入的24V的直流电压环转化为5V直流电源输出，二级电源转换模块将5V电压信号分别转换为

3.3V、1.2V电压；

所述FPGA系统模块包括FPGA控制芯片，FPGA控制芯片与JTAG接口和FLASH存储模块连接，其中JTAG接口设置在FPGA控制芯片的外部。

2.如权利要求1所述的FPGA+8051系统控制器，其特征在于：所述8051单片机通过RS232串口与FPGA芯片通讯，8051单片机内设置有FIFO内存空间保存指令或数据。

3.如权利要求1所述的FPGA+8051系统控制器，其特征在于：所述FPGA控制芯片和8051单片机以太网通信模块分布在一块电路板上，外部通过接口JXS0、JXS1、JXS2使其接口与PLC接口一致。

4.如权利要求1所述的FPGA+8051系统控制器，其特征在于：所述网络通讯接口的通讯流程为电源模块上电后，先进行MCU初始化，然后对以太网控制芯片CP2200进行配置，配置完成后开启中断，然后等待中断信号，并响应相应的中断。

5.如权利要求1所述的FPGA+8051系统控制器，其特征在于：所述FPGA芯片内嵌软核CPU。

说明书

一种FPGA+8051系统控制器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种FPGA+8051系统控制器。

背景技术

[0002] PLC在军用行业的使用中呈现出诸多弊端，具体如下：

[0003] (1)PLC属于进口工业级器件，在军品级考核的过程中由于元器件质量等级和机械设计方面存在不足，在使用需对PLC控制器进行加固，并对印制板喷三防和相关器件灌封处
理。在处理过程中可能电路和元器件造成损伤，因此加固之后需对PLC进行筛选使用。处理
流程相对繁琐，且易出现故障。

[0004] (2)PLC中网络通讯接口使用RJ45连接，在振动的过程中可能出现接触不良现象，设计FPGA控制器时采用军用级连接器连接，保证产品可靠。

[0005] (3)PLC器件属于通用性器件，在使用的过程中，真正用到的功能很少，浪费控制器资源。设计FPGA控制器，有针对性的进行设计，避免资源浪费。

[0006] (4)PLC控制器的底层软件为西门子研发，具体源代码由西门子掌握，使用过程中在其上面进行逻辑编程，对与是否留有后门不清楚，存在安全隐患。

[0007] (5)PLC采购周期较长，且存在版本升级换代的情况，不利于军工产品维护保障。另外，由于对PLC内部电路原理和印制板分布不清楚，当PLC出现故障时，不利于故障排查与处
理，只能采取整个更换PLC的处理方式。

发明内容

[0008] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种FPGA+8051系统控制器。

[0009] 本发明通过以下技术方案得以实现。

[0010] 本发明提供的一种FPGA+8051系统控制器；包括电源模块、FPGA系统模块、AD转换模块、输入隔离变换模块、输出隔离驱动模块、8051单片机系统、网络通讯接口模块；

[0011] 所述电源模块将外部输入的直流电源转化为FPGA系统模块的供电信号；

[0012] 所述FPGA系统模块外部时钟信号，时钟信号通过FPGA内部系统模块分频或倍频处理后，生成FPGA内各模块的时钟信号，FPGA输出控制AD模块的控制信号，并将该AD数据输入
FPGA内部进行处理，并通过控制DA模块输出相应的电流信号；

[0013] 所述输入隔离变换模块、输出隔离驱动模块将I/O信号转换为低速I/O数字信号和高速数字脉冲信号；

[0014] 所述8051单片机系统通过控制网络通讯接口模块实现以太网通讯，接收上位机信号。

[0015] 所述电源模块一级电源转化模块和二级电源转换模块，一级电源转化模块将外部输入的24V的直流电压环转化为5V直流电源输出，二级电源转换模块将5V电压信号分别转
换为3.3V、1.2V电压。

[0016] 所述FPGA系统模块包括FPGA控制芯片，FPGA控制芯片与JTAG接口和FLASH存储模块连接，其中JTAG接口设置在FPGA控制芯片的外部。

[0017] 所述8051单片机通过RS232串口与FPGA芯片通讯，8051单片机内设置有FIFO内存空间保存指令或数据。

[0018] 所述，FPGA控制芯片和8051单片机以太网通信模块分布在一块电路板上，外部通过接口JXS0、JXS1、JXS2使其接口与PLC接口一致。

[0019] 所述网络通讯接口的通讯流程为电源模块上电后，先进行MCU初始化，然后对以太网控制芯片CP2200进行配置，配置完成后开启中断，然后等待中断信号，并响应相应的中
断。

[0020] 所述FPGA芯片内嵌软核CPU。

[0021] 本发明的有益效果在于：不改变原PLC的电器接口及结构，完全兼容PLC控制模块。电路采用模块化设计，提高了装备的自动化程度与集成度。具有采集精度高、通讯效率高、
故障显示等优点。FPGA+8051控制模块采用冗余保护、元器件降额等方法，具有高可靠性，连
续工作时间可达到735h。环境适应能力具有显著优势，其抗振动、抗冲击、耐极限温度、耐盐
雾霉菌等性能均可满足使用环境要求。

[0022] FPGA+8051控制器在安装方式、供电方式、数字信号范围、模拟信号范围、通信协议等兼容西门子PLC，该国产化PLC的生产，能有效降低国产系统对西门子PLC的依赖。

附图说明

[0023] 图1是本发明的软件架构示意图；

[0024] 图2是本发明的控制电路结构示意图；

[0025] 图3是本发明的控制软件内部接口示意图；

[0026] 图4是本发明的网络通讯流程示意图；

[0027] 图5是本发明的控制模块电路板连接结构示意图。

具体实施方式

[0028] 下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

[0029] 一种FPGA+8051系统控制器；包括电源模块、FPGA系统模块、AD转换模块、输入隔离变换模块、输出隔离驱动模块、8051单片机系统、网络通讯接口模块；

[0030] 所述电源模块将外部输入的直流电源转化为FPGA系统模块的供电信号；

[0031] 所述FPGA系统模块外部时钟信号，时钟信号通过FPGA内部系统模块分频或倍频处理后，生成FPGA内各模块的时钟信号，FPGA输出控制AD模块的控制信号，并将该AD数据输入
FPGA内部进行处理，并通过控制DA模块输出相应的电流信号；

[0032] 所述输入隔离变换模块、输出隔离驱动模块将I/O信号转换为低速I/O数字信号和高速数字脉冲信号；

[0033] 所述8051单片机系统通过控制网络通讯接口模块实现以太网通讯，接收上位机信号。

[0034] 所述电源模块一级电源转化模块和二级电源转换模块，一级电源转化模块将外部输入的24V的直流电压环转化为5V直流电源输出，二级电源转换模块将5V电压信号分别转
换为3.3V、1.2V电压。

[0035] 所述FPGA系统模块包括FPGA控制芯片，FPGA控制芯片与JTAG接口和FLASH存储模块连接，其中JTAG接口设置在FPGA控制芯片的外部。

[0036] 所述8051单片机通过RS232串口与FPGA芯片通讯，8051单片机内设置有FIFO内存空间保存指令或数据。

[0037] 所述，FPGA控制芯片和8051单片机以太网通信模块分布在一块电路板上，外部通过接口JXS0、JXS1、JXS2使其接口与PLC接口一致。

[0038] 所述网络通讯接口的通讯流程为电源模块上电后，先进行MCU初始化，然后对以太网控制芯片CP2200进行配置，配置完成后开启中断，然后等待中断信号，并响应相应的中
断。

[0039] 所述FPGA芯片内嵌软核CPU。

[0040] FPGA+8051控制模块包含了PLC所有的系统资源：14路24V数字量输入(包含3个100K和3个30K高速计数输入端口)、2路0～10V的模拟量输入、10路24V数字量输出、一个以
太网通讯接口。PLC的CPU将微处理器、集成电源、输入和输出电路、内置PROFINET、高速运动
控制I/O以及板载模拟量输入组合到一个设计紧凑的外壳中来形成控制器，使FPGA+单片机
控制模块的功能与PLC实现的功能完全一致。

[0041] 本发明中，FPGA+8051控制模块包含电源模块、FPGA系统模块、AD转换模块、输入隔离变换模块、输出驱动模块、C8051F340单片机系统、网络通信接口模块等。其内部电路模块
如图2所示。该控制模块工作原理如下：

[0042] 外部输入的24V直流电源经电源模块转化后，输出5V直流电源，二级电源处理芯片将5V电压信号分别转换为3.3V、1.2V电压，分别作为该模块FPGA芯片的供电信号。该模块上
电后，外部时钟模块向FPGA内输入40MHz时钟信号，该时钟信号通过FPGA内部的数字时钟管
理模块分频或倍频处理后，生成FPGA内各模块的时钟信号。FPGA输出控制AD模块的控制信
号，获取AD处理后的数据，并将该AD数据输入FPGA内部进行处理，并通过控制DA模块输出相
应的电流信号，AD、DA模块满足数模控制和模数转化控制的要求，适应不同产品对AD、DA信
号处理的要求。FPGA对I/O信号的处理经过输入隔离变换模块和输出隔离变换模块电路的
处理后，能满足低速I/O数字信号处理和高速数字脉冲信号处理的要求。FPGA的JTAG接口设
计在模块的外部，可以不开盖完成软件升级任务。FPGA控制FLASH模块对数据的写入和读出
操作，该模块的功能满足将数据缓存、关键测试指令存储、固化系统程序等功能。FPGA与
8051单片机之间采用RS232串口通讯，满足单片机与FPGA之间的数据交互的功能，在单片机
通过控制网络协议芯片CP2000实现以太网通讯，接收上位机(或具有以太网通讯协议的网
络设备)指令后，单片机进行数据解析后，将数据或指令通过串口发送至FPGA，实现对产品
各模块的控制。

[0043] 其中，采用FPGA作为该控制模块的主控芯片，8051单片机作为该控制模块的辅助芯片，FPGA通过编程实现对不同产品的功能模块的控制，可根据不同产品的特性编写相应
的功能模块，FPGA内部编程模块可采用内嵌软核CPU的架构方式，实现FLASH读写控制、AD采
集数据处理、RS232串口通讯控制，底层FPGA与软核CPU之间的数据通讯等技术，FPGA内部集
成完善的数字时钟管理器模块(DCM模块)及不同功能的IP软核模块以及自定义的功能模
块，满足不同产品的软件编写需求。单片机作为辅助芯片，实现数据转发和处理工作，在接
收上位机指令或数据后，在单片机内开辟一块FIFO内存空间作保存指令或数据，通过解析
和处理后，单片机通过串口与FPGA之间交互数据和指令，并通过相应的指令实现对所使用
该控制模块的产品各模块的控制。单片机内开辟FIFO内存方式，满足了以太网络高通讯速
率与串口低通讯速率不匹配的处理方案，满足了通讯的协调性和数据一致性。

[0044] 电路系统分两块电路板，电源转化模块和输入输出隔离电路模块分布在一块印制板上，FPGA控制系统和8051单片机以太网通信模块分布在一块电路板上。外部输入接口信
号和板间信号连接关系如图3所示。外部接口JXS0、JXS1、JXS2与原PLC接口一致。把高电平
信号和低电平信号进行物理隔离。其结构示意图如图4使其能够完全替代原PLC模块。该模
块内部布局紧凑，结构布局按功能模块的不同分为控制电路板和接口电路板，其中，控制电
路板完成通讯数据处理，AD、DA处理等，接口电路板完成信号转接、信号隔离等功能。该模块
按小型化、模块化的结构布局。

[0045] 在控制模块中，关键的网络通讯流程图如4所示。上电后，先进行MCU初始化，然后对以太网控制芯片CP2200进行配置，配置完成后开启中断，然后等待中断信号，并响应相应
的中断。

[0046] 1、在不改变通信架构的基础上，兼容MODBus通信协议，可根据通用TCP/IP、UDP协议进行数据报文封装后通信，具有灵活的通信方式，满足工业以太网和通用以太网数据报
文封装的要求，能与5台计算机同时进行通讯。

[0047] 2、采用FPGA逻辑信号处理和内嵌软核CPU快速数据处理的灵活架构，满足控制系统快速通信要求。具有丰富的时钟资源和高速光耦，实现高速数字信号处理，其高速光耦速
率为10MHz，远大于PLC控制单元的100KHz的处理能力。

[0048] 3、采用内嵌软核CPU(MicroBlaze)技术。采用FPGA底层逻辑信号处理和内嵌软核CPU的数据处理模块，实现了AD数模转化后，将采集信号快速处理，并将数据通过底层逻辑
单元模块传至内嵌CPU内，在内嵌CPU内实现数据修正、数据高低位分离、数据大小端处理等
要求，处理后的数据通过内嵌CPU控制的RS232模块，将数据通过RS232串口通信总线发送至
8051模块内，由8051模块对数据进行修正。可根据接收信号的指令和数据，按照存储器件的
读写时序要求，实现对存储器的写指令和读指令的操作，并将接收到的指令和数据保存在
Flash内。国产化PLC的软件架构图如2所示。

[0049] 4、FPGA+8051控制模块中软件处理内部分为7个模块，分别为时钟管理模块、A/D采样模块、存储操作模块、信号处理模块、控制信号处理模块(输入控制信号处理模块和输出
控制信号处理模块)。共9个内部接口，分别为时钟到信号处理接口、时钟到A/D接口、时钟到
控制信号处理接口、时钟到存储操作接口、信号处理到A/D接口、信号处理到控制信号处理
模块接口、信号处理到存储操作接口、存储操作到信号处理接口、A/D到信号处理接口。控制
软件内部接口示意图见图3。

[0050] 5、成熟的编程语言和灵活数据处理技术，使用成熟的Verilog和C语言实现底层逻辑控制和数据处理，通信控制要求，用户可根据所需数据的复杂度进行相应的处理函数的
编写，能实现算术运算、傅里叶变换、三角变换等数据处理。西门子PLC使用内部提供的数据
处理模块(梯形图处理模块)对数据进行处理，不能满足用户多样的数据处理要求。

[0051] 6、采用FPGA+8051双核架构方式，8051专门负责网络通讯，FPGA负责逻辑控制，解决了单核运行资源不足的缺陷，FPGA通过底层逻辑信号控制和内嵌软核CPU实现信号采集
处理、系统外围模块控制、外围输入信号处理、Flash数据存储处理等操作和控制。8051模块
负责对Cp2000控制模块输出相应的控制信号，实现以太网通信和控制。且8051通过对以太
网通信模块的控制实现与控制台的数据交互。通过FPGA+8051的双核架构方式，能有效降低
系统运行过程中全负载时控制芯片的负载能力。